高宇煒 武騰飛 張磊 韓繼博 趙春播 夏傳青

摘要：雙光梳光譜分析技術(shù)近年來憑借高分辨率、高靈敏度、寬光譜覆蓋和快速測量的優(yōu)勢，在分子和原子光譜分析領(lǐng)域得到了快速的發(fā)展。首先簡要介紹雙光梳光譜測量技術(shù)的基本原理，然后根據(jù)實驗室現(xiàn)有條件，建立相應(yīng)的雙光梳光譜測量裝置，并針對乙炔氣體進(jìn)行可行性驗證。

關(guān)鍵詞：雙光梳光譜學(xué)；激光光譜學(xué)；光譜分析；光學(xué)頻率梳；雙光梳系統(tǒng)

中圖分類號：TN249文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.12.012

光學(xué)頻率梳（optical frequency comb ，OFC）作為一種高精度的頻率測量工具，在前沿物理領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1]。光梳通過將光頻率和微波頻率相聯(lián)系，通過兩者之間的直接關(guān)聯(lián)，可以有效地實現(xiàn)對光學(xué)頻率的計量[2-3]。在實際應(yīng)用方面，飛秒激光頻率梳在精密時間計量[4]、精密寬帶光譜測量[5]、高精度距離測量[6]、高精度速度監(jiān)測[7]、激光雷達(dá)[8]、光纖傳感[9]和激光多普勒測速[10]等方面得到廣泛的應(yīng)用。由于飛秒激光頻率梳具有帶寬高、短時穩(wěn)定和長時穩(wěn)定效果好的特點，近些年其在高精度光譜測量方面實現(xiàn)了長足的進(jìn)步，出現(xiàn)了許多新光譜測量方法[11-13]。現(xiàn)有的測量方法主要分為兩類：第一類是在原有的光譜測量方法的基礎(chǔ)上，將普通光源替換為飛秒光源，利用飛秒光源的特點，提升光譜測量精度，如在傅里葉變換光譜法中[11]，使用飛秒光源可以增加主動探測的光譜范圍，在腔增強(qiáng)或腔衰蕩法中[12]，可以將高品質(zhì)因數(shù)的激光脈沖耦合進(jìn)光學(xué)諧振腔，提升測量靈敏度；第二類是基于光梳的相干性，利用異步光取樣的方法，將飛秒光學(xué)頻率梳作為光源，實現(xiàn)光譜的測量[13]。由于該光譜測量方法利用了兩臺光梳作為相干光源，這種方法一般被稱為雙光梳光譜法（DCS）。這種方法的基本原理是2002年由Schiller[14]首次提出的。在2004年，Keilmann[15]等首次通過試驗證實了該原理具有實際可行性和有效性。自此DCS方法在精密激光光譜方向?qū)崿F(xiàn)了重大突破。以美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）為代表的許多國際科研機(jī)構(gòu)[16-17]，在深入研究DCS原理和各個舉出方向方面實現(xiàn)了許多突破性進(jìn)展，為DCS的發(fā)展方向和應(yīng)用前途提出了許多重要研究方向。

在實際應(yīng)用中，對光譜測量速度和精度的需求也日益提升，通過光譜分析方法進(jìn)行氣體濃度、溫度、壓強(qiáng)等物理量的計算的需求也日益增多。在汽車尾氣排放[18-19]，溫室氣體排放[20]、航空發(fā)動機(jī)尾氣成分分析等領(lǐng)域，已經(jīng)有學(xué)者進(jìn)行其他光譜分析技術(shù)的應(yīng)用研究。DCS作為一種高速高精度的光譜分析技術(shù)[21]，其同樣具有廣泛的應(yīng)用前景。本文在雙光梳光譜原理分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了乙炔氣體光譜分析測量，實現(xiàn)了簡化光梳鎖定系統(tǒng)的情況下，光譜分辨率仍然能達(dá)到相對較高的水平。

1原理及試驗裝置

1.1雙光梳光譜測量原理

雙光梳光譜法的基本原理是，光梳產(chǎn)生的激光脈沖序列通過半透鏡后被分為兩束光，其中一束光通過固定的反射鏡，另外一束光則通過可動反射鏡反射，分別構(gòu)成了靜止脈沖和移動脈沖。兩束激光最終匯合通過樣品，最后照射在光電探測器上，進(jìn)行檢測和數(shù)據(jù)采樣。同時可以通過移動動鏡，實現(xiàn)移動脈沖對靜止脈沖的掃描，從而得到兩者的相關(guān)干涉圖，經(jīng)過傅里葉變換可以得到待測樣品的吸收譜圖。為了實現(xiàn)不進(jìn)行機(jī)械運動也能實現(xiàn)掃描的效果，可以利用兩臺重復(fù)頻率差很小的兩臺光梳分別替代靜止脈沖和移動脈沖，具體實現(xiàn)方式如圖1所示[22-23]。

1.2試驗裝置

基于以上原理，搭建了如圖3所示的雙光梳光譜測量系統(tǒng)。其中，comb1和comb2分別為兩臺光頻梳，HWP為二分之一波片，PBS為分束立方體，M為反射鏡，PD為光電探測器。將兩臺光頻梳鎖通過鎖定系統(tǒng)鎖定在同一臺頻率基準(zhǔn)上（本試驗采用銣鐘作為頻率基準(zhǔn)）實現(xiàn)兩臺光梳的同步，然后兩束光分別通過調(diào)節(jié)偏振的二分之一波片使得兩者的偏振方向一致，從而在PBS中合束后通過反射氣室，氣室兩面都鍍有反射層使得吸收光程增加，然后出射光通過反射鏡打在光電探測器上，通過上位機(jī)控制的采集卡采集帶有吸收光譜信息的拍頻信號。將采集到的信號進(jìn)行傅里葉變換，從而得到乙炔氣體在帶通濾光片指定范圍內(nèi)的吸收光譜信號。

2光譜測量性能評估

3結(jié)論

本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于雙光梳光譜的氣體光譜分析裝置，并進(jìn)行了乙炔氣體的測試，計算得到系統(tǒng)的光譜分辨率為2.81GHz。在免去復(fù)雜的偏置頻率鎖定裝置的情況下，相對損失的光譜分辨率較小，通過試驗驗證了雙光梳光譜的高速高分辨率特性。由于影響光譜分辨率的主要因素為雙光梳系統(tǒng)的互線寬，下一步工作可以通過進(jìn)一步優(yōu)化兩臺光梳的線寬，從而進(jìn)一步提高光譜分辨率。

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（責(zé)任編輯陳東曉）

作者簡介

高宇煒（1997-）男，碩士研究生。主要研究方向：雙光梳光譜測量。

Tel：010-62457101E-mail：gaoyuweiabc@126.com

武騰飛（1983-）男，研究員。主要研究方向：飛秒激光及其精密測量領(lǐng)域的研究。

Tel：010-62457101E-mail：tengfei.wu@163.co

C2H2Spectrum Measurement Based on Femtosecond Optical Frequency Comb

Gao Yuwei，Wu Tengfei*，Zhang Lei，Han Jibo，Zhao Chunbo，Xia Chuanqing

Science and Technology on Metrology and Calibration Laboratory，Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Dynamic Testing and Calibration，AVIC Changcheng Institute of Metrology & Measurement，Beijing 100095，China

Abstract： With the advantages of high resolution， high sensitivity， wide spectral coverage and rapid measurement， the dual-comb spectroscopy technology has developed rapidly in the field of molecular and atomic spectroscopy. First， the basic principle of the dual-comb spectrum measurement technology is briefly introduced， and then a corresponding dual-comb spectrum measurement device is established according to the existing conditions of the laboratory， and the feasibility of the acetylene gas is verified.

Key Words： dual-comb spectroscopy； laser spectroscopy； spectroscopy； optical frequency comb； dual-comb system