基于飛秒光學(xué)頻率梳的乙炔氣體光譜測(cè)量

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(lái)憑借高分辨率、高靈敏度、寬光譜覆蓋和快速測(cè)量的優(yōu)勢(shì)，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(jiǎn)要介紹雙光梳光譜測(cè)量技術(shù)的基本原理，然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件，建立相應(yīng)的雙光梳光譜測(cè)量裝置，并針對(duì)乙炔氣體進(jìn)行可行性驗(yàn)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(hào)：TN249文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(cè)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(guò)將光頻率和微波頻率相聯(lián)系，通過(guò)兩者之間的直接關(guān)聯(lián)，可以有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)光學(xué)頻率的計(jì)量[2-3]。在實(shí)際應(yīng)用方面，飛秒激光頻率梳在精密時(shí)間計(jì)量[4]、精密寬帶光譜測(cè)量[5]、高精度距離測(cè)量[6]、高精度速度監(jiān)測(cè)[7]、激光雷達(dá)[8]、光纖傳感[9]和激光多普勒測(cè)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(shí)穩(wěn)定和長(zhǎng)時(shí)穩(wěn)定效果好的特點(diǎn)，近些年其在高精度光譜測(cè)量方面實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)足的進(jìn)步，出現(xiàn)了許多新光譜測(cè)量方法[11-13]?，F(xiàn)有的測(cè)量方法主要分為兩類：第一類是在原有的光譜測(cè)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(diǎn)，提升光譜測(cè)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(dòng)探測(cè)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(cè)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(shí)現(xiàn)光譜的測(cè)量[13]。由于該光譜測(cè)量方法利用了兩臺(tái)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(guò)試驗(yàn)證實(shí)了該原理具有實(shí)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(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）為代表的許多國(guó)際科研機(jī)構(gòu)[16-17]，在深入研究DCS原理和各個(gè)舉出方向方面實(shí)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(shí)際應(yīng)用中，對(duì)光譜測(cè)量速度和精度的需求也日益提升，通過(guò)光譜分析方法進(jìn)行氣體濃度、溫度、壓強(qiáng)等物理量的計(jì)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(dòng)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(cè)量，實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)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(duì)較高的水平。

1原理及試驗(yàn)裝置

1.1雙光梳光譜測(cè)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(guò)半透鏡后被分為兩束光，其中一束光通過(guò)固定的反射鏡，另外一束光則通過(guò)可動(dòng)反射鏡反射，分別構(gòu)成了靜止脈沖和移動(dòng)脈沖。兩束激光最終匯合通過(guò)樣品，最后照射在光電探測(cè)器上，進(jìn)行檢測(cè)和數(shù)據(jù)采樣。同時(shí)可以通過(guò)移動(dòng)動(dòng)鏡，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)脈沖對(duì)靜止脈沖的掃描，從而得到兩者的相關(guān)干涉圖，經(jīng)過(guò)傅里葉變換可以得到待測(cè)樣品的吸收譜圖。為了實(shí)現(xiàn)不進(jìn)行機(jī)械運(yùn)動(dòng)也能實(shí)現(xiàn)掃描的效果，可以利用兩臺(tái)重復(fù)頻率差很小的兩臺(tái)光梳分別替代靜止脈沖和移動(dòng)脈沖，具體實(shí)現(xiàn)方式如圖1所示[22-23]。

1.2試驗(yàn)裝置

基于以上原理，搭建了如圖3所示的雙光梳光譜測(cè)量系統(tǒng)。其中，comb1和comb2分別為兩臺(tái)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(cè)器。將兩臺(tái)光頻梳鎖通過(guò)鎖定系統(tǒng)鎖定在同一臺(tái)頻率基準(zhǔn)上（本試驗(yàn)采用銣鐘作為頻率基準(zhǔn)）實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)光梳的同步，然后兩束光分別通過(guò)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(guò)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(guò)反射鏡打在光電探測(cè)器上，通過(guò)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(hào)。將采集到的信號(hào)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(hào)。

2光譜測(cè)量性能評(píng)估

3結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并實(shí)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(cè)試，計(jì)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(duì)損失的光譜分辨率較小，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)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(guò)進(jìn)一步優(yōu)化兩臺(tái)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(jiǎn)介

高宇煒（1997-）男，碩士研究生。主要研究方向：雙光梳光譜測(cè)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(cè)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