張偉鵬 楊宏雷 陳馨怡 尉昊赟 李巖

1)(清華大學(xué)精密儀器系,精密測(cè)試技術(shù)及儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100084)

2)(北京無(wú)線電計(jì)量測(cè)試研究所,計(jì)量與校準(zhǔn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100854)

1 引 言

伴隨著光學(xué)頻率梳這一穩(wěn)定的寬帶激光光源的出現(xiàn),眾多與光學(xué)頻率測(cè)量相關(guān)的技術(shù)應(yīng)用得到了革新和發(fā)展[1?5],其中在高精度光譜測(cè)量方向發(fā)展出了雙光梳光譜[6?16]、寬帶腔增強(qiáng)直接光頻梳光譜[17?20]、寬帶腔衰蕩光譜[21?24]等多種極具特色的寬帶激光光譜探測(cè)技術(shù),突破了原有激光光譜技術(shù)窄帶探測(cè)的限制,使得激光光譜具備了同時(shí)實(shí)現(xiàn)寬光譜、高靈敏度和高分辨率探測(cè)的能力[12],并展示出在多組分同時(shí)探測(cè)分析(如疾病診斷、大氣監(jiān)測(cè)、燃燒診斷和安全防衛(wèi)等)中的巨大潛力.其中,雙光梳光譜探測(cè)方法以兩臺(tái)重復(fù)頻率稍有不同的光頻梳作為光源,實(shí)現(xiàn)快速異步光學(xué)掃描和多外差干涉探測(cè),并通過(guò)對(duì)干涉信號(hào)的傅里葉變換和頻譜信號(hào)的頻率映射獲得待測(cè)光譜數(shù)據(jù).該方法具有傅里葉光譜探測(cè)方法的特征,但又充分利用了光頻梳的時(shí)域和頻域特性,無(wú)需任何機(jī)械掃描部件就可以實(shí)現(xiàn)寬帶、高分辨率、高靈敏度快速探測(cè),極具探測(cè)優(yōu)勢(shì).然而,在初期實(shí)踐中,受限于光頻梳縱模的頻率穩(wěn)定性,探測(cè)分辨率僅達(dá)到1 cm?1左右,距雙光梳光譜的探測(cè)潛力甚遠(yuǎn)[14].為了提升探測(cè)性能,研究者在提高雙光梳光源的絕對(duì)頻率穩(wěn)定度方面開(kāi)展了卓有成效的實(shí)踐,成功演示了一些基于高穩(wěn)定性光梳光源的雙光梳光譜系統(tǒng),測(cè)得了十分清晰的精細(xì)光譜數(shù)據(jù)[6,8],分辨率甚至達(dá)到光頻梳縱模間隔.但這類(lèi)系統(tǒng)鎖定環(huán)節(jié)多而且復(fù)雜,實(shí)現(xiàn)難度大,因此,近年來(lái)發(fā)展出了多種提高雙光梳互相干性[10]或補(bǔ)償雙光梳光源間相對(duì)相位波動(dòng)和時(shí)間抖動(dòng)[9,10]的雙光梳光譜探測(cè)方案.這類(lèi)方案既能獲得較好的探測(cè)性能,又降低了系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)難度,非常有潛力帶動(dòng)雙光梳光譜走向?qū)嵱?

本文在對(duì)雙光梳光譜探測(cè)性能評(píng)估[15,16]分析的基礎(chǔ)上,研制光學(xué)頻率參考穩(wěn)定的飛秒光學(xué)頻率梳光源,實(shí)現(xiàn)了一種光頻鏈接的雙光梳光譜探測(cè)系統(tǒng).該系統(tǒng)中,兩臺(tái)光頻梳以同一臺(tái)窄線寬激光器為媒介進(jìn)行光頻鎖定控制,避免了復(fù)雜的自參考系統(tǒng),在簡(jiǎn)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的同時(shí),提升了雙光梳光源間的相干性,實(shí)現(xiàn)了光譜分辨率相較于傳統(tǒng)射頻鎖定雙光梳系統(tǒng)一個(gè)數(shù)量級(jí)的提升.通過(guò)該系統(tǒng),獲得了高質(zhì)量的乙炔(13C2H2)光譜,并與文獻(xiàn)[25]報(bào)道的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行了比對(duì)和評(píng)估,驗(yàn)證了系統(tǒng)的探測(cè)性能.

2 原理及實(shí)驗(yàn)裝置

2.1 光頻鏈接雙光梳系統(tǒng)原理

一臺(tái)光頻梳輸出的頻率梳齒可表示為N×frep+fceo,其中frep,fceo分別稱為光頻梳的重復(fù)頻率和偏置頻率,N為對(duì)應(yīng)的縱模數(shù).對(duì)于射頻鎖定的光頻梳,通過(guò)直接測(cè)量相鄰梳齒間的拍頻得到frep,通過(guò)1f-2f非線性自參考系統(tǒng)得到其fceo[26],再通過(guò)反饋控制光頻梳的諧振腔腔長(zhǎng)和抽運(yùn)電流分別控制其重復(fù)頻率和偏置頻率鎖定至標(biāo)準(zhǔn)的射頻頻率基準(zhǔn),最終實(shí)現(xiàn)光頻梳的完全鎖定.該鎖定方式中,兩臺(tái)光頻梳雖然有溯源至射頻頻率基準(zhǔn)的相對(duì)穩(wěn)定的偏置頻率和重復(fù)頻率,但是光頻輸出信號(hào)所對(duì)應(yīng)的N值達(dá)到106量級(jí),這意味著重復(fù)頻率的不穩(wěn)定性在光頻段被顯著放大,造成在實(shí)際測(cè)量中雙光梳之間的頻差表現(xiàn)出較大的高頻抖動(dòng),互相干性退化.之前的仿真和實(shí)驗(yàn)研究表明[15,16],使用這類(lèi)雙光梳光源,直接測(cè)得的光譜線位置抖動(dòng)達(dá)到0.2 cm?1左右,難以實(shí)現(xiàn)優(yōu)于1 cm?1光譜分辨率的高性能探測(cè).為了減小兩臺(tái)光學(xué)頻率梳對(duì)應(yīng)縱模頻率差的相對(duì)抖動(dòng),提高光譜探測(cè)性能,本文實(shí)踐一種光頻鏈接的雙光梳光譜探測(cè)方案,通過(guò)引入一臺(tái)布拉格光柵穩(wěn)定的窄線寬參考激光器作為光學(xué)頻段的頻率參考,增強(qiáng)兩臺(tái)光頻梳間的相對(duì)穩(wěn)定性.該系統(tǒng)中,兩臺(tái)光頻梳均通過(guò)調(diào)制其各自的抽運(yùn)電流與該窄線寬激光器進(jìn)行鎖定,其各自的重復(fù)頻率仍通過(guò)調(diào)制諧振腔長(zhǎng)的方式與射頻頻率基準(zhǔn)鎖定.此時(shí),光頻梳輸出的梳齒頻率可以表示為N1×frep+fL+fbeat.這里fL和fbeat分別為參考激光的頻率和光頻梳與參考激光的拍頻,N1為以激光參考點(diǎn)為基準(zhǔn)的偏移縱模數(shù).對(duì)比射頻鎖定方案,fceo取值由一個(gè)射頻頻率增加到一個(gè)很大的光頻頻率fL+fbeat,對(duì)應(yīng)N1的取值比N減小2個(gè)量級(jí).這使得在測(cè)量光譜段內(nèi)由重復(fù)頻率不穩(wěn)定導(dǎo)致的雙光梳互相干性下降的情況得到很大程度的改善.仿真分析表明[15],該方案比起完全射頻鎖定的方式,光譜分辨率可提高一個(gè)數(shù)量級(jí).同時(shí),本方案無(wú)需較為復(fù)雜的1f-2f非線性自參考系統(tǒng),使得該雙光梳光譜測(cè)量系統(tǒng)成本降低,更易于實(shí)現(xiàn).

基于上述方案,搭建了如圖1所示的雙光梳光譜測(cè)量系統(tǒng).通過(guò)同一個(gè)窄線寬參考激光器(RIO,RIO0195-3-16-4)和銣鐘頻率基準(zhǔn)(Symmetricom,8040C)實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)光頻梳的完全鎖定并同步.兩臺(tái)光頻梳的輸出光各自通過(guò)一個(gè)半波片使其偏振方向一致,后經(jīng)由一個(gè)分束棱鏡合束入射進(jìn)待測(cè)氣體池(Triad Technology,TT-CH13-100T-G-Q).在光入射至氣體池前,使用一個(gè)與待測(cè)光譜范圍對(duì)應(yīng)的帶通濾光片進(jìn)行光譜選擇,以便在充分利用探測(cè)器動(dòng)態(tài)范圍的情況下,增強(qiáng)光譜數(shù)據(jù)的信噪比.出射的帶有吸收信息的雙光梳多外差拍頻信號(hào)被光電探測(cè)器接收并由基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)的數(shù)據(jù)采集卡(NI,PXIe-7965R FPGA,16-bit 5762R digitizer)所采集.對(duì)采集得到的信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換以及光學(xué)頻率映射,即得到待測(cè)氣體的吸收光譜特性.

圖1 雙光梳光譜測(cè)量系統(tǒng)原理圖(Comb 1和Comb 2為自制光頻梳,H為半波片,BS為分束立方體,F為光學(xué)濾光片,PD為光電探測(cè)器,M為平面反射鏡)Fig.1.Schematic of the dual-comb spectrometer(Comb 1 and Comb 2,homemade optical frequency combs;H,half wave plate;BS,beam splitter;F,optical filter;PD,photodetector;M,mirror).

2.2 光頻參考光頻梳光源

光頻參考光頻梳光源是實(shí)現(xiàn)雙光梳光譜探測(cè)的基礎(chǔ).圖2展示了其內(nèi)部原理結(jié)構(gòu).該光頻梳基于一個(gè)由飽和吸收體和非線性偏振旋轉(zhuǎn)構(gòu)成的混合鎖模飛秒脈沖激光器.該混合鎖模方式既保證了自啟動(dòng)的鎖模特性又具有較寬的輸出光譜.特別地,在該激光器諧振腔內(nèi)集成的一個(gè)大行程電動(dòng)光學(xué)時(shí)延線提供超過(guò)5.5 cm的運(yùn)動(dòng)行程,可使光源在重復(fù)頻率98 MHz的附近擁有接近1.8 MHz的重復(fù)頻率調(diào)整范圍.這樣大的調(diào)整范圍使得在制作并集成第二臺(tái)光學(xué)頻率梳時(shí),調(diào)整并獲得與第一臺(tái)光頻梳接近的重復(fù)頻率這一過(guò)程得到很大程度的簡(jiǎn)化.鎖模后,每臺(tái)光源擁有超過(guò)30 mW(耦合效率約85%)的輸出功率,并被分成三路分別用于光學(xué)頻率鎖定和光譜探測(cè)應(yīng)用.不同于常規(guī)微波鎖定光頻梳,本方案將用于鎖定的兩路光中的一路和穩(wěn)頻窄線寬激光器耦合獲得光學(xué)拍頻,通過(guò)該拍頻產(chǎn)生誤差信號(hào)對(duì)光頻梳的抽運(yùn)電流調(diào)制以實(shí)現(xiàn)位于光頻域上的偏置頻率點(diǎn)的高精度鎖定;同時(shí),利用相鄰梳齒間的拍頻信號(hào),通過(guò)對(duì)諧振腔內(nèi)光纖拉伸器的調(diào)控,實(shí)現(xiàn)光頻梳重復(fù)頻率的高速鎖定.該光纖拉伸器包含一個(gè)共燒式長(zhǎng)行程壓電陶瓷(PZT),提供17.4μm的大運(yùn)動(dòng)行程,用于對(duì)光纖諧振腔進(jìn)行補(bǔ)償.該自制光頻梳被安置在一個(gè)配備有TEC制冷片和PID控制器的主動(dòng)溫控盒內(nèi)以避免溫度的長(zhǎng)期漂移及空氣的擾動(dòng),減小引入的諧振腔長(zhǎng)變化,以保證每次開(kāi)機(jī)穩(wěn)定地輸出光譜與輸出功率.

上述調(diào)制抽運(yùn)電流和壓電陶瓷的兩組鎖相電路使用類(lèi)似的實(shí)現(xiàn)方案,如圖3所示.首先位于10 MHz附近的光學(xué)拍頻被光電二極管探測(cè)并通過(guò)帶通濾波器(BBP-10.7+,9.5—11.5 MHz,Mini-Circuits)以提高拍頻信號(hào)的信噪比.之后通過(guò)功率分配器分出一路信號(hào)用于監(jiān)視鎖定的拍頻,另一路通過(guò)一個(gè)放大器增加信號(hào)功率后送入鑒頻鑒相器,與從信號(hào)發(fā)生器生成的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行鑒頻鑒相生成誤差信號(hào).對(duì)于諧振腔長(zhǎng)調(diào)制,輸出的慢環(huán)誤差信號(hào)經(jīng)高壓放大器放大后反饋給光纖拉伸器內(nèi)的壓電陶瓷;對(duì)于抽運(yùn)電流調(diào)制,則使用高帶寬誤差信號(hào),并經(jīng)過(guò)一個(gè)相位超前補(bǔ)償電路之后再反饋給抽運(yùn)激光器控制器的電流調(diào)制端口以提高伺服反饋帶寬.

圖2 光頻參考混合鎖模飛秒光學(xué)頻率梳結(jié)構(gòu)(Pump LD為抽運(yùn)激光二極管;WDM為波分復(fù)用器;Er+3表示摻鉺光纖;Temp.ctrl為溫度控制器;PZT為壓電陶瓷晶體;TEC為熱電制冷器;Temp.sensor為溫度傳感器;SA為飽和吸收體;ISO為隔離器;COL 1,2,3為光纖準(zhǔn)直耦合器;Q為四分之一波片;PBS為偏振分束立方;H為半波片;Ref.LD為參考窄線寬激光器;App.表示實(shí)驗(yàn)應(yīng)用)Fig.2.Schematic of the hybrid mode-locking optical frequency comb with optical reference stabilization(Pump LD,pump laser diode;WDM,wave division multiplier;Er+3,Er doped optical fiber;Temp.ctrl,temperature control;PZT,piezo crystal;TEC,thermal electrical cooler;Temp.sensor,temperature sensor;SA,saturable absorber;ISO,isolator;Col 1,2,3,collimator;Q,quarter wave plate;PBS,polarization beam splitter;H,have wave plate;Ref.LD,reference narrow line-width laser diode;App.,experiment application).

圖3 鎖相環(huán)電路原理結(jié)構(gòu)(BPF為帶通濾波器,Amp為射頻放大器,HVA為高壓放大器,PLF為相位超前電路,Syn.為信號(hào)發(fā)生器,Mon.為監(jiān)視端口) (a)壓電陶瓷鎖相環(huán);(b)抽運(yùn)電流鎖相環(huán)Fig.3.Schematic of the phase lock loop(PLL)used for comb stabilization(BPF,band pass filter;Amp,ampli fier;HVA,high voltage ampli fier;PLF,phase-lead filter;Syn.,frequency synthesizer;Mon.,monitor port):(a)Phase lock loop of the PZT;(b)phase lock loop of the pump current.

3 光頻梳光源性能評(píng)估

為驗(yàn)證激光器的輸出特性,使用寬帶光電探測(cè)器(New focus,1434)和高速示波器(Agilent,DSOS254A)獲得了時(shí)域脈沖信號(hào),如圖4(a)所示,周期脈沖時(shí)間間隔約為10 ns.將此信號(hào)送入頻譜儀(Agilent,N9010A)中,可得到脈沖重復(fù)頻率的基頻和高次諧波,放大基頻頻段,并設(shè)置儀器分辨率和視頻分辨率均為3 Hz,可看到重復(fù)頻率約為98.791 MHz,信噪比達(dá)到70 dB,如圖4(b)所示.使用自相關(guān)儀(APE,PulseCheck50)測(cè)量了輸出脈寬,sech2擬合脈沖寬度為175 fs,如圖4(c)所示.鎖模后典型的輸出光譜如圖4(d)所示.進(jìn)一步對(duì)激光器近兩周的輸出光譜和平均功率測(cè)試,顯示輸出光譜一致性良好,光功率變化小于3%,體現(xiàn)出了激光器很好的長(zhǎng)期相對(duì)穩(wěn)定性.

抽運(yùn)電流調(diào)制環(huán)的鎖定性能對(duì)于建立良好的光頻鏈接至關(guān)重要.但實(shí)際鎖相環(huán)中,由于鉺離子較長(zhǎng)的上能級(jí)壽命以及諧振腔較慢的響應(yīng)帶來(lái)了額外的低通濾波效應(yīng),導(dǎo)致調(diào)制控制帶寬受限.直接利用圖3方案,鎖定環(huán)最大調(diào)制帶寬僅為14.8 kHz,如圖5(b)所示.為獲得更大的控制帶寬,在實(shí)驗(yàn)中加入了一個(gè)傳遞函數(shù)如圖5(a)所示的相位超前電路,抵消由低通濾波效應(yīng)造成的相位滯后問(wèn)題,并采用高速的抽運(yùn)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)一步提高控制帶寬.使用上述改進(jìn)措施后,控制帶寬顯著增加到94.8 kHz,如圖5(b)所示,且其1 Hz—1 MHz的積分相位噪聲積分值為0.755 rad,體現(xiàn)出了很好的鎖定性能.

為檢驗(yàn)相位超前補(bǔ)償?shù)某檫\(yùn)電流鎖相環(huán)路的長(zhǎng)期穩(wěn)定性,我們對(duì)鎖定拍頻進(jìn)行了時(shí)長(zhǎng)為3000 s(門(mén)時(shí)間為1 s)的監(jiān)測(cè).圖6(a)所示為壓電陶瓷控制環(huán)路鎖定頻率誤差.測(cè)量得鎖定頻率標(biāo)準(zhǔn)差和1 s平均Allan標(biāo)準(zhǔn)差均為5.0 mHz,對(duì)應(yīng)于10 MHz本振信號(hào)的1 s平均相對(duì)Allan標(biāo)準(zhǔn)差為5.0×10?11,512 s平均Allan標(biāo)準(zhǔn)差為4.9×10?12.圖6(b)中相對(duì)Allan標(biāo)準(zhǔn)差曲線呈τ?1/2,τ為積分時(shí)間,結(jié)果表明相位鎖定效果良好.

圖4 輸出鎖模激光性能 (a)時(shí)域脈沖;(b)脈沖重復(fù)頻率頻譜(RBW表示分析帶寬,VBW表示顯示帶寬);(c)脈沖自相關(guān)信號(hào);(d)輸出光譜Fig.4.Output performance when mode-locked:(a)Output pulse in time domain;(b)radio frequency spectrum of repetition rate(RBW,resolution bandwidth;VBW,video bandwidth);(c)autocorrelation of the output pulse;(d)output spectrum.

圖5 (a)相位超前電路傳遞函數(shù);(b)抽運(yùn)電流鎖定誤差信號(hào)的功率譜密度Fig.5.(a)Transfer function of the designed phaselead filter;(b)power spectrum density of the in-loop error signal in the pump-locking loop.

圖6 抽運(yùn)電流鎖定長(zhǎng)期穩(wěn)定性 (a)頻率計(jì)測(cè)量的頻率偏離;(b)由(a)導(dǎo)出的相對(duì)Allan方差Fig.6.Long-term stability of the locked beat note in the pump-locking loop:(a)Counted frequency o ff set with a gate time of 1 s;(b)relative Allan deviation derived from(a).

4 光譜測(cè)量性能評(píng)估

在完成兩臺(tái)光頻梳光源的搭建后,我們構(gòu)建了如圖1所示的雙光梳光譜測(cè)量系統(tǒng).兩臺(tái)光頻梳的重復(fù)頻率被設(shè)定在98.790 MHz附近,并且兩臺(tái)之間具有1.600 kHz的重復(fù)頻率差.所用重復(fù)頻率參數(shù)通過(guò)一臺(tái)與銣原子頻率基準(zhǔn)同步的雙通道信號(hào)發(fā)生器生成,且兩個(gè)通道之間通過(guò)信號(hào)發(fā)生器內(nèi)部的鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)相位同步.用于光學(xué)頻率參考的窄線寬激光器標(biāo)稱線寬小于2 kHz,中心波長(zhǎng)為1564.701 nm,對(duì)應(yīng)的頻率為191.5973 THz.我們使用的光學(xué)帶通濾光片的半高全寬為12 nm,中心波長(zhǎng)為1540 nm.測(cè)量中,干涉數(shù)據(jù)以250 MS/s的采樣率采集,結(jié)合干涉圖邊緣數(shù)據(jù)信噪比,選取單幀干涉數(shù)據(jù)時(shí)長(zhǎng)為24μs.圖7顯示了一個(gè)典型的雙光梳光譜探測(cè)時(shí)域干涉信號(hào),其中的右插圖展示了中心增強(qiáng)部分300個(gè)采樣點(diǎn)的干涉數(shù)據(jù),左插圖展示了干涉圖邊緣部分300個(gè)采樣點(diǎn).從圖7能夠看出中心增強(qiáng)信號(hào)清晰未飽和,邊緣信號(hào)周期性調(diào)制明顯,具有一定的信噪比.接下來(lái),采集數(shù)據(jù)補(bǔ)零到216個(gè)采樣點(diǎn)(對(duì)應(yīng)260μs)后經(jīng)過(guò)三角窗調(diào)制,通過(guò)快速傅里葉變換獲得映射到射頻域的吸收光譜.結(jié)合實(shí)驗(yàn)參數(shù)配置條件,相應(yīng)光頻域光譜位置可以通過(guò)(1)式求得:

其中νcw為窄線寬激光器的頻率,fb為光頻梳與窄線寬激光器之間的拍頻,frep1為第一臺(tái)光頻梳的重復(fù)頻率,?frep為兩臺(tái)光頻梳的重復(fù)頻率差,fRF對(duì)應(yīng)傅里葉變換后的射頻信號(hào).由實(shí)驗(yàn)條件可得插零變換后的光譜數(shù)據(jù)點(diǎn)間隔為0.0078 cm?1.

映射到光頻域的光譜數(shù)據(jù)如圖8(a)所示,該圖展示了13C2H2分子的ν1+ν3振轉(zhuǎn)能級(jí)的P分支譜線,圖中光譜包絡(luò)由雙光梳光源輸出特性決定.進(jìn)行基線擬合以及光譜的歸一化得到透過(guò)率曲線,如圖8(b)所示.這一跨度為55 cm?1的光譜數(shù)據(jù)清晰地展現(xiàn)了13C2H2分子的ν1+ν3振轉(zhuǎn)能級(jí)P(2)至P(22)的譜線.圖8(c)展示了對(duì)譜線P(10)強(qiáng)度擬合的結(jié)果,顯示測(cè)得譜線半高全寬優(yōu)于0.13 cm?1.事實(shí)上,雙光梳光譜系統(tǒng)的光譜分辨率可由采樣時(shí)間T、重復(fù)頻率frep1和重復(fù)頻率差?frep利用(2)式計(jì)算所得:

其中k為切趾函數(shù)引入的分辨率增寬因子.類(lèi)比于傅里葉變換光譜儀,當(dāng)不考慮切趾,即k=1時(shí),光譜分辨率為0.086 cm?1;考慮實(shí)際計(jì)算時(shí)在補(bǔ)零后引入了一個(gè)三角窗,對(duì)應(yīng)引入一個(gè)k≈1.43的增寬因子,使得切趾后光譜分辨率約為0.12 cm?1.比較圖8(c)所示結(jié)果不難發(fā)現(xiàn),兩者符合良好;實(shí)際譜線由于包含有譜線自身展寬的影響,其半高全寬稍寬于評(píng)估也是不難理解的.為考查雙光梳光譜譜線位置的準(zhǔn)確性,將所測(cè)得的ν1+ν3振轉(zhuǎn)能級(jí)P(2)至P(22)譜線位置與文獻(xiàn)[25]的結(jié)果進(jìn)行了比對(duì),表1列出了測(cè)量比對(duì)結(jié)果,可以看出,最大偏差為0.006 cm?1,小于上述光譜數(shù)據(jù)點(diǎn)間隔0.0078 cm?1,該結(jié)果表明本系統(tǒng)具有較高的光譜測(cè)量位置準(zhǔn)確度.

圖7 雙光梳時(shí)域干涉信號(hào)(采樣率250 MHz)Fig.7.Dual-comb interference signal in time domain.

圖8 13C2H2分子的ν1+ν3振轉(zhuǎn)能級(jí)P分支譜線 (a)吸收光譜數(shù)據(jù);(b)透過(guò)率曲線;(c)P(10)譜線的擬合結(jié)果Fig.8.Obtained optical spectra data of ν1+ ν3of13C2H2molecular:(a)Absorption spectrum;(b)transmission curve;(c)curve fit of P(10)line.

表1 測(cè)量結(jié)果與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)對(duì)比Table 1.Comparison between the measured data and the reference.

為了進(jìn)一步展示本系統(tǒng)的探測(cè)性能,圖9給出了單次測(cè)量和100次平均的測(cè)量結(jié)果,可以看到,通過(guò)多次測(cè)量平均,探測(cè)過(guò)程的隨機(jī)噪聲被大大抑制,100幅平均光譜數(shù)據(jù)的信噪比在測(cè)量范圍內(nèi)達(dá)到220.需要特別指出的是,雙光梳光譜的一大優(yōu)勢(shì)即在于快速測(cè)量,在本系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中,每秒測(cè)量光譜數(shù)可以達(dá)到1600幅,同等分辨率條件下,要比傅里葉光譜儀快3—4個(gè)量級(jí).利用(3)式[27]可以計(jì)算出秒均噪聲等效吸收系數(shù):

該指標(biāo)表征了在單位積分時(shí)間下光譜儀的噪聲水平,能夠反映光譜儀的測(cè)量靈敏度.這里SNR為測(cè)量結(jié)果信噪比,M為有效的光譜分辨單元數(shù),T為總的測(cè)量時(shí)間,L為吸收光程.本系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中,上述100幅測(cè)量時(shí)間為62.5 ms,有效光譜分辨單元數(shù)為640,所用樣品池吸收長(zhǎng)度為7.5 cm,因而,對(duì)應(yīng)的秒均噪聲等效吸收系數(shù)可達(dá)到6.0×10?6cm?1·Hz?1/2.

圖9 單次測(cè)量和100次測(cè)量平均透過(guò)率結(jié)果對(duì)比Fig.9.Comparison between the single-shot and 100-times averaged transmission.

從(3)式不難看出,除增大吸收光程外,提高秒均噪聲等效吸收系數(shù)可以通過(guò)提高探測(cè)光譜信噪比和增大探測(cè)帶寬來(lái)實(shí)現(xiàn).在本系統(tǒng)中,信噪比仍主要受限于雙光頻梳光源間的相對(duì)頻率抖動(dòng)、探測(cè)器線性度和數(shù)據(jù)采集卡的量化位數(shù).雖然兩臺(tái)光梳共用了同一個(gè)光學(xué)頻率參考,并且通過(guò)抽運(yùn)電流調(diào)制實(shí)現(xiàn)了小于1 Hz的光學(xué)相位鎖定性能,但重復(fù)頻率抖動(dòng)造成的射頻映射頻率的不穩(wěn)定性仍存在.根據(jù)相位噪聲測(cè)量原理,相位噪聲功率密度隨諧波次數(shù)呈平方規(guī)律遞增,即Sφ(n·f)=n2·Sφ(f),其中,Sφ為相位噪聲功率密度,n為諧波次數(shù),f為基頻[28].因此,通過(guò)鎖定激光重復(fù)頻率高次諧波,可以有效地降低重復(fù)頻率鎖定噪聲,獲得更好的性能.此外,當(dāng)前光頻梳的輸出光譜帶寬較為有限,通過(guò)光學(xué)放大以及非線性光譜展寬技術(shù)拓寬輸出光譜,可以進(jìn)一步提高該雙光梳光譜儀的性能.

5 結(jié) 論

本文提出了一種光頻鏈接的雙光梳光譜探測(cè)方案.借助一臺(tái)窄線寬激光器的鏈接,提高了兩臺(tái)光頻梳間的互相干特性.在免去復(fù)雜的自參考系統(tǒng)的情況下,獲得了較好的光譜測(cè)量性能.對(duì)于13C2H2樣品的測(cè)試結(jié)果顯示,系統(tǒng)光譜分辨率達(dá)0.086 cm?1(切趾后光譜分辨率約為0.12 cm?1).在所探測(cè)ν1+ν3振轉(zhuǎn)能級(jí)的P支范圍內(nèi),恢復(fù)的光譜線位置與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)符合良好,偏差小于光譜數(shù)據(jù)最小間隔.對(duì)62.5 ms時(shí)間內(nèi)測(cè)量得到的100幅光譜數(shù)據(jù)分析得到平均信噪比達(dá)到220,相應(yīng)的秒均噪聲等效吸收系數(shù)達(dá)到6.0×10?6cm?1·Hz?1/2.該工作開(kāi)拓了一種易于實(shí)現(xiàn),且具有高光譜分辨率、高靈敏度的雙光梳光譜探測(cè)解決方案,該系統(tǒng)性能可滿足大氣成分遙感探測(cè)等應(yīng)用需求,為雙光梳光譜系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用部署增添了途徑.

參考文獻(xiàn)

[1]Newbury N 2011Nat.Photon.5 186

[2]Coddington I,Swann W,Newbury N 2009Nat.Photon.3 351

[3]Giorgetta F,Swann W,Sinclair S,Baumann E,Conddington I,Newbury N 2013Nat.Photon.7 434

[4]Lomsadze B,Cundi ffS 2017Sci.Rep.7 14018

[5]Meng F,Cao S Y,Cai Y,Wang G Z,Cao J P,Li T C,Fang Z J 2011Acta Phys.Sin.60 100601(in Chinese)[孟飛,曹士英,蔡岳,王貴重,曹建平,李天初,方占軍 2011物理學(xué)報(bào)60 100601]

[6]Coddington I,Swan W,Newbury N 2008Phys.Rev.Lett.100 013902

[7]BernhardtB,OzawaA,JacquetP,JacqueyM,Kobayashi Y,Udem T,Holzwarth R,Guelachvili G,H?nsch T,Picqué N 2009Nat.Photon.4 55

[8]Baumann E,Giorgetta F,Swann W,Zolot A,Coddington I,Newbury N 2011Phys.Rev.A84 062513

[9]Ideguchi T,Poisson A,Guelachvili G,Picqué N,H?nsch T 2014Nat.Commun.5 3375

[10]Cassinerio M,Gambetta A,Coluccelli N,Laporta P,Galzerano G 2014Appl.Phys.Lett.104 231102

[11]Okubo S,Iwakuni K,Inaba H,Hosaka K,Onae A,Sasada H,Hong F 2015Appl.Phys.Express8 082402

[12]Coddington I,Newbury N,Swann W 2016Optica3 414

[13]Yang H,Wei H,Zhang H,Chen K,Li Y,Smolski V,Vodopyanov K 2016Appl.Opt.55 6321

[14]Yang H L,Wei H Y,Li Y,Ren L B,Zhang H Y 2014Spectroscopy and Spectral Analysis34 335(in Chinese)[楊宏雷,尉昊赟,李巖,任利兵,張弘元2014光譜學(xué)與光譜分析34 335]

[15]Yang H,Wu X,Zhang H,Zhao S,Yang L,Wei H,Li Y 2016Appl.Opt.55 D29

[16]Yang H,Wei H,Li Y 2016Chin.Phys.B25 044207

[17]Thorpe J,Ye J 2008Appl.Phys.B91 397

[18]Adler F,Thorpe J,Kevin C 2010Ann.Rev.Anal.Chem.3 175

[19]Foltynowicz A,Mas?owski P,Fleisher A,Bjork B,Ye J 2012Appl.Phys.B110 163

[20]Khodabakhsh A,Alrahman C,Foltynowicz A 2014Opt.Lett.39 5034

[21]Hodges T,Layer P,Miller W 2004Rev.Sci.Instrum.75 849

[22]Mondelain D,Sala T,Kassi S,Romanini D,Marangoni M,Campargue A 2015J.Quant.Spectrosc.Radat.Transfer.154 35

[23]Ball S,Povey I,Norton E,Jones R 2011Chem.Phys.Lett.342 113

[24]Thorpe M,Moll K,Jones R,Safdi B,Ye J 2006Science311 1595

[25]Edwards C,Margolis H,Barwood G,Lea S,Gill P,Rowley W 2005Appl.Phys.B80 977

[26]Jones D,Diddams S,Ranka J,Stentz A,Windeler R,Hall J,Cundi ffS 2000Science288 635

[27]Foltynowicz A,Mas?owski P,Ban T,Adler F,Cossel K,Briles T,Ye J 2011Faraday Discuss.150 23

[28]Rubiola E 2009Phase Noise and Frequency Stability in Oscillators(Cambridge:Cambridge University Press)pp29–30