高分辨扫频光梳光谱

作者:发布时间:2020-07-06

光梳光谱技术(Frequency Comb Spectroscopy)利用光梳光源在频率域等间隔梳齿状频率分布特性对分子吸收光谱进行可精确测量的离散频谱标识,进而可以实现高精度分子指纹光谱测量。光梳光谱的出现,特别是双光梳光谱,在谱宽、测量速度、光谱分辨率等方面推进了分子光谱测量技术的发展,为分子物理、分析化学、生物学、红外遥感、大气环境监测、相干成像、医学诊断、分子指纹数据库等基础学科与光谱应用领域提供了高效的测量工具。

目前,光梳光谱测量的分辨率主要取决于梳齿的间距,即光梳脉冲的重复频率(通常在50 MHz-10 GHz之间)。多数气体分子(如甲烷、一氧化碳等)的红外吸收峰多普勒极限在0.1-1 GHz之间,因此梳齿可分辨的光梳光谱技术达到了分子光谱多普勒分辨极限;结合零频调谐的扫频方式,可以进一步将测量分辨率提升到梳齿线宽极限(由光梳光场相干时间长度决定,一般优于1 kHz),与非线性饱和吸收光谱技术结合,则有望实现突破分子多普勒极限的宽带高分辨光谱测量,为分子精细谱结构、分子能级间的弱耦合作用等研究提供有效途径。

另一方面,微腔光梳、量子级联激光器光梳、电光调制光梳等新型光梳源正在从集成度、小型化、稳定度、远红外与太赫兹等方面推进光梳光谱的应用性与实用化。然而,新型光源在分子光谱测量中的不足之处在于它们的梳齿间距过大(1-100 GHz),难以满足高分辨气相分子光谱测量的需求。而常规调频技术存在调谐速度慢、频率定标难的问题。

为了解决高速、高分辨频率调谐难题,曾和平教授课题组发展了一种前馈式调频技术,实现了基于电光光梳(梳齿间距25 GHz)的高分辨光谱测量。该技术利用声光调频技术(图1),在无需复杂控制系统的情况下,摆脱了伺服电路带宽对调频速率的限制,实现了扫频速率高达5.45THz/s,光谱分辨率为54.5 MHz的高分辨中红外分子光谱测量(图2)。

图1: (a)声光扫频技术框架图;(b)声光调制器AOFS驱动频率;(c)AOFS输出光信号强度;(d)移频信号分布图。


图2: (a)甲烷分子吸收光谱测量数据;(b)实验与HITRAN数据库的光谱对比。