2-20 μm波段的中紅外光源在分子光譜領(lǐng)域有著重要的作用，大量的分子在這個(gè)波段內(nèi)存在振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)躍遷，使用這個(gè)波段的光源可以探測(cè)到分子特征的吸收譜線，從而特定地識(shí)別分子種類。傳統(tǒng)的測(cè)量手段包括傅里葉變換光譜儀，可以實(shí)現(xiàn)高分辨率測(cè)量，但由于其需要機(jī)械掃描而無法實(shí)現(xiàn)快速測(cè)量。針對(duì)該難題，雙光梳光譜系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，該方案可以實(shí)現(xiàn)高分辨率測(cè)量的同時(shí)實(shí)現(xiàn)快速掃描。本次分享的文章介紹了基于脈沖內(nèi)自差頻產(chǎn)生了寬帶中紅外雙光梳系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了快速、寬帶和高分辨率的光譜探測(cè)[1]。

【資料圖】

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置[1]

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，前端為80 MHz的摻鉻激光器，經(jīng)過一級(jí)放大后得到平均功率為4 W、中心波長(zhǎng)為2.4 μm的19 fs脈沖。利用鎖相環(huán)控制器用來穩(wěn)定重頻和fceo，通過調(diào)節(jié)壓電陶瓷來改變重復(fù)頻率，通過調(diào)節(jié)泵浦功率和AOM來調(diào)節(jié)fceo。然后選用ZGP晶體進(jìn)行脈沖內(nèi)自差頻，產(chǎn)生波長(zhǎng)覆蓋6-12微米的中紅外脈沖，平均功率大于300mW。

圖2 中紅外光梳的相對(duì)強(qiáng)度噪聲[1]

圖2為利用快速光電探頭測(cè)得的中紅外脈沖功率譜密度的相對(duì)強(qiáng)度噪聲，以及均方根強(qiáng)度噪聲，在低頻部分的27 Hz處有由于摻鉺放大器軟件任務(wù)干擾引起的噪聲峰。脈沖自差頻過程中會(huì)對(duì)泵浦光的CEP有弱依賴，導(dǎo)致在19 MHz處有以振蕩器的fceo調(diào)制的噪聲峰。除這些噪聲峰外，在高頻100 K-40 MHz內(nèi)，噪聲水平比較平坦，在-140dBc水平。

圖3 雙光梳實(shí)驗(yàn)裝置圖[1]

圖3為雙光梳的實(shí)物圖，兩臺(tái)光梳被鎖定到同一臺(tái)超穩(wěn)激光器上，重頻差為131 Hz，通過合束器合為一束后經(jīng)過待測(cè)氣室，再經(jīng)過光電探測(cè)器測(cè)得其干涉圖，干涉圖經(jīng)過傅里葉變換后便得到輸出光譜。

圖4 雙光梳的梳齒分辨譜[1]

圖4(a)圖為梳齒分辨的雙光梳光譜，干涉圖時(shí)間窗口范圍為0.1-24 s之間，上橫坐標(biāo)為光譜坐標(biāo)，下橫坐標(biāo)為對(duì)應(yīng)的射頻譜坐標(biāo)。局部放大后得到b圖，可以明顯看到梳齒分辨的譜線，此時(shí)時(shí)間窗口為24 s，梳齒線寬為52 mHz，精細(xì)度大于2500。（c）圖為不同時(shí)間窗口時(shí)對(duì)應(yīng)的射頻譜線寬，可以看到線寬與采集時(shí)間成反比。

圖5 N2O的吸收譜[1]

為了展示其高分辨率，將雙光梳經(jīng)過12cm長(zhǎng)的氣室，氣室內(nèi)充了1%的N2O，俗稱為笑氣，氣壓為20 mbar。將采集時(shí)間設(shè)置為12s，測(cè)得的吸收譜如圖5（a）所示，與HITRAN數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì)十分吻合。圖5（b）（c）（d）為局部放大后的結(jié)果，可以清晰地看到梳齒線寬為150 MHz。在800-1515 cm-1范圍內(nèi)一共有24萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，最強(qiáng)時(shí)信噪比為312，將近25 dB。

圖6 不同平均時(shí)間得到的N2O吸收光譜片段[1]

圖6展示了不同采集時(shí)間情況下的N2O吸收光譜片段，可以看到采集時(shí)間越長(zhǎng)信噪比越高，采集時(shí)間即使為0.1s時(shí)，信噪比也可以達(dá)到23，即13.6dB。

該雙光梳創(chuàng)造了在ZGP晶體中7.5%的高轉(zhuǎn)換效率的記錄，得到了高達(dá)300mW的長(zhǎng)波中紅外光源輸出，有助于遙感和非線性梳狀光譜應(yīng)用中。后續(xù)將ZGP晶體更換為GaSe晶體有望將光譜范圍拓展至20 μm，在更多的領(lǐng)域中取得重要的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1] Vasilyev, S., Muraviev, A., Konnov, D., Mirov, M., Smolski, V., Moskalev, I., ... & Vodopyanov, K. (2023). Longwave infrared (6.6–11.4 μm) dual-comb spectroscopy with 240,000 comb-mode-resolved data points at video rate. Optics Letters, 48(9), 2273-2276.

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