一種基于光學(xué)頻率梳的光譜測(cè)量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于光學(xué)頻率梳的光譜測(cè)量方法，該測(cè)量方法首先利用一臺(tái)時(shí)域和頻域可控的光學(xué)頻率梳主動(dòng)調(diào)制一個(gè)基于相位調(diào)制器的環(huán)形激光諧振腔，使其成為與這一臺(tái)光學(xué)頻率梳具有重復(fù)頻率微小差別的第二臺(tái)光學(xué)頻率梳，并進(jìn)行雙光學(xué)頻率梳光譜探測(cè)，得到攜帶待測(cè)樣品信息的干涉信號(hào)；同時(shí)，這兩臺(tái)光學(xué)頻率梳分別與連續(xù)穩(wěn)頻激光進(jìn)行拍頻，所得到的兩個(gè)拍頻信號(hào)的差頻信號(hào)與該干涉信號(hào)進(jìn)行混頻，探測(cè)混頻得到的信號(hào)作為光譜信號(hào)進(jìn)行傅里葉分析，以還原待測(cè)樣品的光學(xué)信息。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是，可以消除由雙光梳系統(tǒng)自身的相位漂移給光譜探測(cè)帶來(lái)的誤差，從而提高光譜測(cè)量的分辨率與探測(cè)精度。
【專利說(shuō)明】一種基于光學(xué)頻率梳的光譜測(cè)量方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于超快激光科學(xué)與【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于光學(xué)頻率梳的光譜測(cè)量方法。

【背景技術(shù)】
[0002]光譜分析的基本原理是在激光的作用下，每一種原子都會(huì)吸收或發(fā)射自身的特征譜線，因此可以根據(jù)該光譜來(lái)鑒別物質(zhì)及確定它的化學(xué)組成。光譜測(cè)量技術(shù)是將激光這一抽象的物理量運(yùn)用于生產(chǎn)生活中的重要體現(xiàn)，其廣泛應(yīng)用于爆炸物品檢測(cè)、生物樣品分析、金屬物體探測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域中。目前發(fā)展較為成熟的光譜測(cè)量方法是基于邁克爾遜干涉儀原理，將輸入的激光分為兩束，其中一束到達(dá)以一恒定速度作直線運(yùn)動(dòng)的動(dòng)鏡，另一束到達(dá)定鏡；兩束光分別經(jīng)定鏡和動(dòng)鏡反射后產(chǎn)生光程差，形成的干涉光通過(guò)待測(cè)樣品，再通過(guò)探測(cè)含有樣品信息的干涉光信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行傅里葉變換，獲取相應(yīng)的光譜信息。如市面常見(jiàn)的傅里葉變換紅外光譜儀(Fourier Transform Infrared Spectrometer,簡(jiǎn)寫為FTIRSpectrometer)即遵循此工作原理。但是,該方法不可避免地需要機(jī)械部件的移動(dòng)來(lái)完成光譜測(cè)量，并需配合對(duì)樣品的多次掃描以達(dá)到較高測(cè)量精度，這無(wú)疑為整個(gè)測(cè)量過(guò)程的穩(wěn)定性與測(cè)量速率帶來(lái)不利影響。
[0003]另一方面，近年來(lái)新興的光學(xué)頻率梳技術(shù)由于具有可以提供時(shí)域與頻域高度穩(wěn)定的超短脈沖激光的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)被成功運(yùn)用于光譜測(cè)量中。飛秒光學(xué)頻率梳用于精密光譜測(cè)量主要有兩大類方法，一類是利用光學(xué)頻率梳作為頻率標(biāo)尺標(biāo)定連續(xù)激光器并將其用于光譜測(cè)量，另一類則是將光學(xué)頻率梳直接用于光譜測(cè)量，即利用兩臺(tái)重復(fù)頻率略有差別的光學(xué)頻率梳組成的雙光梳系統(tǒng)，其中第一臺(tái)光梳的輸出光經(jīng)過(guò)樣品池后與第二臺(tái)光梳的輸出光一同入射至探測(cè)器，將得到的兩臺(tái)光梳的干涉信號(hào)進(jìn)行傅里葉分析，即通過(guò)測(cè)量一臺(tái)光梳通過(guò)樣品后的幅值和相位信息獲取待測(cè)樣品的光譜信息。雙光梳光譜測(cè)量方法具有測(cè)量速度快，光譜分辨率、信噪比高的明顯優(yōu)勢(shì)，但是在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，兩臺(tái)光學(xué)頻率梳的搭建與精密控制方法繁瑣、操作復(fù)雜，整個(gè)系統(tǒng)的維護(hù)難度大，且造價(jià)昂貴。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是根據(jù)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種基于光學(xué)頻率梳的光譜測(cè)量及方法，該測(cè)量方法利用一臺(tái)時(shí)域和頻域可控的光學(xué)頻率梳實(shí)現(xiàn)雙光梳光譜探測(cè)。
[0005]本發(fā)明目的實(shí)現(xiàn)由以下技術(shù)方案完成:
一種基于光學(xué)頻率梳的光譜測(cè)量方法，涉及待測(cè)樣品，其特征在于所述測(cè)量方法至少包括如下步驟:采用一臺(tái)時(shí)域和頻域可控的光學(xué)頻率梳I，將其輸出的一部分光信號(hào)調(diào)制一個(gè)由相位調(diào)制器組成的環(huán)形激光諧振腔，使所述環(huán)形激光諧振腔成為重復(fù)頻率穩(wěn)定的光學(xué)頻率梳II。
[0006]分別將所述光學(xué)頻率梳1、II的輸出激光進(jìn)行分束；將所述光學(xué)頻率梳I和II的一部分輸出激光分別與連續(xù)穩(wěn)頻激光做拍頻，得到攜帶有所述光學(xué)頻率梳I的載波包絡(luò)相位漂移頻率信息的差頻信號(hào);所述光學(xué)頻率梳I的另一部分輸出激光作為探測(cè)光進(jìn)入樣品池測(cè)量所述待測(cè)樣品后再進(jìn)入探測(cè)模塊，同時(shí)所述光學(xué)頻率梳II的另一部分輸出激光作為參考光直接進(jìn)入所述探測(cè)模塊，所述探測(cè)模塊輸出兩者的干涉信號(hào)f,;將所述差頻信號(hào)1--與所述干涉信號(hào)f'做混頻，以將所述干涉信號(hào)f'中由所述光學(xué)頻率梳II產(chǎn)生的頻率不穩(wěn)定度抵消掉，得到光譜信號(hào)fsignal，再將所述光譜信號(hào)fsignal進(jìn)行傅里葉變換分析，還原所述待測(cè)樣品的光學(xué)特性。
[0007]所述光學(xué)頻率梳II，即所述環(huán)形激光諧振腔由激光泵浦源、相位調(diào)制器、增益光纖、波分復(fù)用器以及耦合輸出器構(gòu)成，其中所述相位調(diào)制器、增益光纖、波分復(fù)用器以及耦合輸出器依次首尾連接構(gòu)成環(huán)路，所述激光泵浦源與所述波分復(fù)用器連接；在所述光學(xué)頻率梳II與所述光學(xué)頻率梳I之間設(shè)置有分束器、光電探測(cè)器、分頻器以及和頻元器件，所述和頻元器件與所述相位調(diào)制器連接。
[0008]由所述光學(xué)頻率梳I輸出的激光經(jīng)所述分束器進(jìn)行分束，選取其中一路激光通過(guò)所述光電探測(cè)器探測(cè)其重復(fù)頻率信號(hào)，并濾取其基頻信號(hào)frl，將所述基頻信號(hào)frl的一部分輸入所述分頻器，以獲得差值信號(hào)?.Λ，其中f,= fiVn，n為分頻倍數(shù)；之后所述差值信號(hào)f.與所述基頻信號(hào)Tr1的另一部分一同輸入所述和頻元器件，產(chǎn)生兩個(gè)頻率的疊加值作為所述光學(xué)頻率梳II的重復(fù)頻率調(diào)制信號(hào)，加載于所述光學(xué)頻率梳II的所述相位調(diào)制器上，同時(shí)所述激光泵浦源所輸出的激光通過(guò)所述波分復(fù)用器進(jìn)入所述環(huán)形激光諧振腔中，所述相位調(diào)制器利用所述重復(fù)頻率調(diào)制信號(hào)對(duì)輸入的激光進(jìn)行調(diào)制，產(chǎn)生以fr2= fri+f.為間隔的邊帶信號(hào)，再經(jīng)過(guò)所述增益光纖的多次增益與振蕩，形成重復(fù)頻率固定的頻率梳齒，通過(guò)所述耦合輸出器輸出重復(fù)頻率fr2= fri+f,，使所述光學(xué)頻率梳I和所述光學(xué)頻率梳II的輸出重復(fù)頻率具有差值f,。
[0009]濾取所述光學(xué)頻率梳I的一部分輸出激光與所述連續(xù)穩(wěn)頻激光拍頻產(chǎn)生的拍頻信號(hào)fbeatl，同時(shí)將所述連續(xù)穩(wěn)頻激光分束與所述光學(xué)頻率梳II的一部分輸出激光進(jìn)行拍頻，并濾取所述光學(xué)頻率梳II與所述光學(xué)頻率梳I相同位置處的梳齒同所述連續(xù)穩(wěn)頻激光產(chǎn)生的拍頻信號(hào)fbMt2;之后將所述拍頻信號(hào)fbMtl和fbMt2進(jìn)行差頻探測(cè)，得到差頻信號(hào)
ferror I fbeat 1-^beat2 I 0
[0010]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:
(1)本發(fā)明在實(shí)現(xiàn)雙光梳光譜測(cè)量的過(guò)程中，只需要對(duì)一臺(tái)光學(xué)頻率梳進(jìn)行時(shí)域與頻域的精密鎖定，即可以完成雙光梳系統(tǒng)的構(gòu)建，從而極大減少了整個(gè)系統(tǒng)的體積與維護(hù)難度；同時(shí)，由于電學(xué)元件的發(fā)展較為成熟，該方法可以降低系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)費(fèi)用；
(2)本發(fā)明的第二臺(tái)光梳結(jié)構(gòu)靈活，只要是基于主動(dòng)調(diào)制技術(shù)的鎖模激光器均可以滿足系統(tǒng)要求，故頻率調(diào)制過(guò)程可以由電光調(diào)制器、聲光調(diào)制器等市場(chǎng)上較為常見(jiàn)的元器件完成，環(huán)形激光諧振腔的結(jié)構(gòu)可以選擇全光纖型激光器或具有空間結(jié)構(gòu)的塊狀固體激光器；
(3)本發(fā)明中雙光梳系統(tǒng)重復(fù)頻率差值的產(chǎn)生機(jī)制簡(jiǎn)單、操作靈活，穩(wěn)定性高；與傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)激光器腔長(zhǎng)或外腔掃描壓電陶瓷晶體以產(chǎn)生重復(fù)頻率的微小差別的方法相比，本發(fā)明只需用光電探測(cè)器探測(cè)到第一臺(tái)光梳的重復(fù)頻率信號(hào)，并配合電學(xué)和頻與分頻技術(shù)，將合成的frj fr/n作為調(diào)制信號(hào)加載于第二臺(tái)光梳的相位調(diào)制器上，即可實(shí)現(xiàn)第二臺(tái)光梳重復(fù)頻率的精確輸出；同時(shí)，由于第一臺(tái)光梳的輸出重復(fù)頻率具有極高的穩(wěn)定性，故第二臺(tái)光學(xué)頻率梳的重復(fù)頻率也得以鎖定控制；
(4)本發(fā)明將光梳系統(tǒng)的頻率不穩(wěn)定度通過(guò)與連續(xù)穩(wěn)頻激光拍頻，并濾取其中一根拍頻信號(hào)的方式傳遞出來(lái)；將該信號(hào)與雙光梳作用樣品得到的干涉信號(hào)做混頻以抵消光梳自身抖動(dòng)對(duì)光譜探測(cè)帶來(lái)的誤差，從而避免了對(duì)第二臺(tái)光學(xué)頻率梳的載波包絡(luò)相位漂移頻率的鎖定，整個(gè)操作過(guò)程簡(jiǎn)單易行；
(5)雙光學(xué)頻率梳技術(shù)與腔增強(qiáng)吸收光譜、傅里葉變換光譜相結(jié)合的光譜測(cè)量方法，相比于其他光譜測(cè)量技術(shù)，測(cè)量系統(tǒng)無(wú)需任何機(jī)械移動(dòng)，測(cè)量速度更快，而且光譜分辨率、信噪比更聞；
(6)雙光學(xué)頻率梳光譜技術(shù)可利用光梳的全光譜進(jìn)行測(cè)量，類似于使用無(wú)數(shù)個(gè)頻率和相位穩(wěn)定的窄線寬激光，且其光譜分辨率受限于單個(gè)梳齒的線寬，通常在千赫茲至亞赫茲量級(jí)；
(7)光學(xué)頻率梳系統(tǒng)可以通過(guò)單級(jí)或連級(jí)的光學(xué)放大器實(shí)現(xiàn)平均功率在幾十至上百瓦的高功率光學(xué)頻率梳，其每根梳齒的單脈沖能量較高，可以在光學(xué)頻率梳種子源脈沖具有較低重復(fù)頻率的情況下完成對(duì)光譜的測(cè)量；同時(shí)，高功率光學(xué)頻率梳有利于實(shí)現(xiàn)光梳的頻域拓寬，可以將光梳的輸出光頻帶拓展至覆蓋紫外、可見(jiàn)與紅外的較寬范圍，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同物質(zhì)的光譜測(cè)量，拓寬本發(fā)明的應(yīng)用領(lǐng)域。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1為本發(fā)明中以第一臺(tái)光學(xué)頻率梳精確控制第二臺(tái)光學(xué)頻率梳的輸出重復(fù)頻率的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明中通過(guò)電學(xué)混頻方式提高光譜測(cè)量精度的方法結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3為本發(fā)明中用近紅外雙光梳系統(tǒng)測(cè)量水分子吸收光譜的裝置示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0012]以下結(jié)合附圖通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的特征及其它相關(guān)特征作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，以便于同行業(yè)技術(shù)人員的理解:
如圖1-3，圖中標(biāo)記1-30分別為:光學(xué)頻率梳1、光學(xué)頻率梳2、分束器3、光電探測(cè)器4、分頻器5、晶振6、和頻元器件7、波分復(fù)用器8、增益光纖9、相位調(diào)制器10、耦合輸出器11、待測(cè)樣品12、光譜探測(cè)裝置13、數(shù)據(jù)采集模塊14、連續(xù)穩(wěn)頻激光發(fā)射模塊15、光梳與連續(xù)激光拍頻信號(hào)處理模塊16、電學(xué)混頻濾波模塊17、傅里葉變換分析儀18、光學(xué)頻率梳19、光學(xué)頻率梳種子源20、連續(xù)穩(wěn)頻激光器21、光子晶體光纖22、可調(diào)帶通濾波器23、偏振片24、偏振分束器25、水分子樣品池26、紅外波段半透半反鏡27、紅外波段全反鏡28、光梳與連續(xù)激光的拍頻與信號(hào)濾取模塊29、光梳與連續(xù)激光的拍頻與信號(hào)濾取模塊30 ；
其中LD為激光泵浦源。
[0013]實(shí)施例一:本實(shí)施例具體涉及一種基于光學(xué)頻率梳的光譜測(cè)量方法，該測(cè)量方法首先利用一臺(tái)時(shí)域和頻域可控的光學(xué)頻率梳主動(dòng)調(diào)制一個(gè)基于相位調(diào)制器的環(huán)形激光諧振腔，使其成為與這一臺(tái)光學(xué)頻率梳具有重復(fù)頻率微小差別的第二臺(tái)光學(xué)頻率梳，并進(jìn)行雙光梳光譜探測(cè)，得到攜帶待測(cè)樣品信息的干涉信號(hào)；同時(shí)，這兩臺(tái)光學(xué)頻率梳分別與連續(xù)穩(wěn)頻激光進(jìn)行拍頻，所得到的兩個(gè)拍頻信號(hào)的差頻信號(hào)與該干涉信號(hào)進(jìn)行混頻，探測(cè)混頻得到的信號(hào)作為光譜信號(hào)進(jìn)行傅里葉分析，以還原待測(cè)樣品的光學(xué)信息。
[0014]如圖1所示，通過(guò)第一臺(tái)光學(xué)頻率梳I精確控制第二臺(tái)光學(xué)頻率梳2的輸出重復(fù)頻率的過(guò)程如下:
由光學(xué)頻率梳I發(fā)射的激光經(jīng)過(guò)分束器3進(jìn)行分束，選取其中一路激光通過(guò)光電探測(cè)器4探測(cè)其重復(fù)頻率信號(hào)，并濾取其基頻信號(hào)fri，將該基頻信號(hào)的一部分輸入分頻器5，獲得頻率在射頻波段的差值信號(hào)(其中f,= fr/n，!!為分頻倍數(shù))，再用該信號(hào)驅(qū)動(dòng)晶振6，使其產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率信號(hào)f Λ ;f Λ信號(hào)與基頻信號(hào)fA的另一部分信號(hào)一同輸入電學(xué)和頻元件7，產(chǎn)生兩個(gè)頻率的疊加值作為第二臺(tái)光學(xué)頻率梳2的重復(fù)頻率調(diào)制信號(hào)，加載于光學(xué)頻率梳2的相位調(diào)制器10上，使光學(xué)頻率梳2的環(huán)形激光諧振腔產(chǎn)生重復(fù)頻率為fr2= fri +f.的穩(wěn)定脈沖序列。由此方法控制的第二臺(tái)光學(xué)頻率梳2的重復(fù)頻率信號(hào)與第一臺(tái)光學(xué)頻率梳I的重復(fù)頻率信號(hào)具有相同的穩(wěn)定度，均受控于外界標(biāo)準(zhǔn)頻率源，且兩者相差的頻率值也具有絕對(duì)穩(wěn)定的特點(diǎn)。
[0015]如圖2所示，通過(guò)電學(xué)混頻方式提高光譜測(cè)量精度的過(guò)程如下:
首先，將重復(fù)頻率與載波包絡(luò)相位頻率精密控制的第一臺(tái)光學(xué)頻率梳I的輸出激光進(jìn)行分束，其一部分激光作為雙光梳光譜系統(tǒng)的探測(cè)光進(jìn)入樣品池測(cè)量待測(cè)樣品12后再進(jìn)入光譜探測(cè)裝置13，另一部分激光與連續(xù)穩(wěn)頻激光發(fā)射模塊15發(fā)射的激光做拍頻，得到拍頻信號(hào);同時(shí)，將僅鎖定重復(fù)頻率的第二臺(tái)光學(xué)頻率梳2的輸出激光進(jìn)行分束，其一部分激光作為參考光直接進(jìn)入光譜探測(cè)裝置13，另一部分激光采用相同方法與連續(xù)穩(wěn)頻激光發(fā)射模塊15發(fā)射的激光做拍頻,得到拍頻信號(hào)^at20
[0016]其后，通過(guò)光譜探測(cè)裝置13與數(shù)據(jù)采集模塊14獲得初始的干涉信號(hào)f ’，由于光梳系統(tǒng)中，第二臺(tái)光學(xué)頻率梳2的載波包絡(luò)相位漂移頻率未經(jīng)鎖定，故該f '信號(hào)中同時(shí)攜帶了樣品光譜信息與光學(xué)頻率梳2的載波包絡(luò)相位漂移信息。與此同時(shí)，通過(guò)光梳與連續(xù)激光拍頻信號(hào)處理模塊16產(chǎn)生拍頻信號(hào)fbeatl與拍頻信號(hào)fbeat2的誤差信號(hào)Ifbeau-fbeat21，由于fbMtl信號(hào)絕對(duì)穩(wěn)定，故光學(xué)頻率梳2的載波包絡(luò)相位漂移信息通過(guò)fbeat2傳遞給了誤差信號(hào)fOTOT。
[0017]最后，由于f '與包含了相同的由第二臺(tái)光梳引起頻率漂移量，故將兩個(gè)信號(hào)通過(guò)電學(xué)混頻濾波模塊17做混頻，將頻率不穩(wěn)定度通過(guò)電學(xué)的方式抵消掉，得到的光譜信號(hào)fsignal，再通過(guò)傅里葉變換分析儀18，即可獲取待測(cè)樣品吸收譜線的信息。本方法杜絕了測(cè)量工具的不精確性給光譜測(cè)量結(jié)果帶來(lái)的誤差，從實(shí)現(xiàn)光譜的高分辨率、高準(zhǔn)確度測(cè)量。
[0018]以下為對(duì)上述各步驟中所提及裝置的具體描述:
如圖1所示，第一臺(tái)時(shí)頻域精密控制的光學(xué)頻率梳I (即Comb1)是本實(shí)施例實(shí)現(xiàn)雙光梳光譜測(cè)量的必需條件，光學(xué)頻率梳的控制過(guò)程主要是指精密鎖定其重復(fù)頻率信號(hào)與載波包絡(luò)相位漂移頻率信號(hào)于外界標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源上，該信號(hào)源包括商售標(biāo)準(zhǔn)原子鐘模塊、原子躍遷譜線或超窄線寬連續(xù)穩(wěn)頻激光等。在光學(xué)頻率梳I和光學(xué)頻率梳2之間設(shè)置有分束器3、光電探測(cè)器4、分頻器5、晶振6以及和頻元器件7，和頻元器件7與光學(xué)頻率梳2連接，需根據(jù)光學(xué)頻率梳輸出光譜的中心波長(zhǎng)選擇相應(yīng)波段的分束器3與光電探測(cè)器4，探測(cè)得到的第一臺(tái)光學(xué)頻率梳I的重復(fù)頻率信號(hào)，根據(jù)重復(fù)頻率的基頻信號(hào)的具體數(shù)值確定分頻器
5、晶振6與和頻元件7的中心響應(yīng)頻率與帶寬，以抑制系統(tǒng)的電子噪聲，提高探測(cè)精度。
[0019]如圖1所示，第二臺(tái)光學(xué)頻率梳2 (即comb2)為基于相位調(diào)制器10的主動(dòng)鎖模激光器，其可以選擇全光纖結(jié)構(gòu)、半空間半光纖結(jié)構(gòu)或塊狀固體激光器，激光泵浦源LD輸出的泵浦激光通過(guò)波分復(fù)用器8進(jìn)入環(huán)形激光諧振腔內(nèi)，環(huán)形激光諧振腔主要由波分復(fù)用器
8、增益光纖9、相位調(diào)制器10以及耦合輸出器11組成，其中增益光纖9可以根據(jù)光譜測(cè)量系統(tǒng)的中心頻率選擇摻鐿、摻鉺或摻雜其他稀土離子的光纖或塊狀晶體。通過(guò)相位調(diào)制器10對(duì)輸入激光的頻率進(jìn)行調(diào)制，產(chǎn)生以fr2= fri+f.為間隔的邊帶信號(hào)，再經(jīng)過(guò)環(huán)形激光諧振腔的增益與多次振蕩，形成重復(fù)頻率固定的頻率梳齒，通過(guò)耦合輸出器11輸出；耦合輸出器11的選擇可以根據(jù)激光器的結(jié)構(gòu)選擇相應(yīng)波段的光纖分束器或具有一定透射比的空間耦合鏡。
[0020]如圖1所示，光學(xué)頻率梳I和光學(xué)頻率梳2均具有主輸出端口，以便開(kāi)展后續(xù)的激光頻率域展開(kāi)、連續(xù)激光拍頻與光譜探測(cè)等工作。
[0021]如圖2所示，待測(cè)樣品12可以呈現(xiàn)氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)等多種物理狀態(tài)，測(cè)量過(guò)程中，可根據(jù)樣品光學(xué)吸收峰的大致位置確定光學(xué)頻率梳系統(tǒng)輸出的中心波長(zhǎng)；同時(shí)，為獲得樣品在較寬頻率范圍內(nèi)的光學(xué)信息，可以配合將光學(xué)頻率梳的輸出頻譜拓寬。
[0022]如圖2所示，光學(xué)頻率梳I作為信號(hào)光直接入射待測(cè)樣品12中進(jìn)行探測(cè)，光學(xué)頻率梳2的輸出光作為參考光不經(jīng)過(guò)待測(cè)樣品12，為整個(gè)探測(cè)系統(tǒng)提供信號(hào)參考與數(shù)據(jù)處理過(guò)程中的歸一化依據(jù)，光譜探測(cè)裝置13的作用在于探測(cè)到信號(hào)光與參考光拍頻所產(chǎn)生的干涉信號(hào)，其在頻域上表現(xiàn)為整個(gè)幅度包絡(luò)下邊緣不規(guī)則的峰值信號(hào)，從而反映出待測(cè)樣品12對(duì)入射激光的吸收情況。光譜探測(cè)裝置13可以由自行搭建的兩個(gè)或多個(gè)相應(yīng)波段的雪崩光電探測(cè)器組成，也可以由商售的平衡探測(cè)器配合相應(yīng)的電路控制組成。
[0023]如圖2所示，數(shù)據(jù)采集模塊14是結(jié)合計(jì)算機(jī)和專用測(cè)試軟硬件產(chǎn)品來(lái)實(shí)現(xiàn)光譜數(shù)據(jù)采集與控制的部分，可根據(jù)不同雙光梳光譜系統(tǒng)的測(cè)量精度選擇不同種類的數(shù)據(jù)采集卡，實(shí)現(xiàn)靈活、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)記錄，得到初始的光場(chǎng)干涉信號(hào)f ’。
[0024]如圖2所示，連續(xù)穩(wěn)頻激光發(fā)射模塊15首先需滿足其輸出的連續(xù)激光具有極好的單縱模特性且在頻率域上具有超窄線寬，這是獲得光梳與連續(xù)激光穩(wěn)定拍頻信號(hào)基礎(chǔ)，也是光譜測(cè)量系統(tǒng)提高探測(cè)精度的基本要求；其次，連續(xù)激光的輸出波長(zhǎng)要與光學(xué)頻率梳I和2的輸出中心波長(zhǎng)相吻合，以保障光梳與其拍頻時(shí)的拍頻信號(hào)具有較為理想的信噪比，一般需使該信號(hào)在頻譜分析儀上的幅度大于25dB。在整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)建的過(guò)程中，可以選擇將連續(xù)激光分束得到的一部分激光作為第一臺(tái)光學(xué)頻率梳I的標(biāo)準(zhǔn)頻率源控制其時(shí)頻域精度，這樣可以進(jìn)一步降低系統(tǒng)的復(fù)雜性，提高裝置的穩(wěn)定性與緊湊性。
[0025]如圖2所示，光梳與連續(xù)激光拍頻信號(hào)處理模塊16 —般包括光電探測(cè)器、濾波器與混頻器等元件，其主要作用是探測(cè)并濾取兩臺(tái)光學(xué)頻率梳中位于同一位置的兩根梳齒分別與連續(xù)激光產(chǎn)生的兩個(gè)拍頻信號(hào)，并將這兩個(gè)拍頻信號(hào)混頻，得到差頻信號(hào)￡?_;其中光電探測(cè)器一般使用雪崩光電二極管，濾波器的選擇需根據(jù)拍頻信號(hào)所在的頻段而定，帶寬一般在1MHz左右，混頻器需具有良好的響應(yīng)速率與噪聲抑制特性。
[0026]如圖2所示，電學(xué)混頻濾波模塊17的作用在于將上述干涉信號(hào)f丨與差頻信號(hào)ferror混合做差頻，以抵消光梳系統(tǒng)的頻率不穩(wěn)定度，得到待還原的光譜信號(hào)fsignal。
[0027]如圖2所示，傅里葉變換分析儀18的作用是將得到的射頻波段的光譜信號(hào)還原成時(shí)間域信號(hào)，以便讀取與分析待測(cè)樣品的相關(guān)光學(xué)特性。
[0028]實(shí)施例二:如圖3所示，本實(shí)施例具體涉及一種采用近紅外雙光梳系統(tǒng)測(cè)量水分子吸收光譜的方法，具體步驟如下:
(I)將一臺(tái)摻鉺光纖光學(xué)頻率梳19作為雙光梳光譜探測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定光源之一，其輸出中心波長(zhǎng)在1550nm附近，平均功率在IW量級(jí)，脈沖寬度在10fs左右，重復(fù)頻率的平均值為250MHz ;將該光學(xué)頻率梳通過(guò)伺服反饋電路系統(tǒng)鎖定在超窄線寬連續(xù)穩(wěn)頻激光器21上，可將外界由原子躍遷產(chǎn)生的極高譜線精度傳遞到光學(xué)頻率梳系統(tǒng)中。
[0029](2)基于相位調(diào)制器的摻鉺光纖光學(xué)頻率梳種子源20的腔型結(jié)構(gòu)如圖1中的Comb2模塊所示,其中激光泵浦源LD采用980nm光纖輸出式半導(dǎo)體激光器,通過(guò)980/1550nm的光纖波分復(fù)用器8將泵浦光耦合到環(huán)形激光諧振腔內(nèi)，增益介質(zhì)采用摻鉺的單模光纖，其增益系數(shù)約70dB/m ;同時(shí)，可以通過(guò)在腔內(nèi)增添1550nm波段的色散補(bǔ)償光纖管理腔內(nèi)色散，使該光學(xué)頻率梳種子源20輸出時(shí)間寬度在10fs左右的超短脈沖序列。
[0030](3)基于相位調(diào)制器的摻鉺光纖光學(xué)頻率梳種子源20中的相位調(diào)制器采用基于鈮酸鋰晶體的電光調(diào)制器，利用鈮酸鋰晶體的非線性光學(xué)特性完成對(duì)環(huán)形激光諧振腔重復(fù)頻率的主動(dòng)調(diào)制，調(diào)制頻率的產(chǎn)生方法如前所述，根據(jù)第一臺(tái)光學(xué)頻率梳19所產(chǎn)生的精確信號(hào)fh主動(dòng)調(diào)制第二臺(tái)光學(xué)頻率梳種子源20輸出光的脈沖與脈沖頻率間隔為fr2= fri +f.;兩臺(tái)光學(xué)頻率梳的輸出激光均呈現(xiàn)空間光狀態(tài)。
[0031](4)在利用雙光梳系統(tǒng)測(cè)量水分子樣品吸收光譜的過(guò)程中，首先將光學(xué)頻率梳19和光學(xué)頻率梳種子源20的輸出光輸入基于光子晶體光纖22的頻域展寬模塊，其目的在于將波長(zhǎng)位于1550nm的光學(xué)頻率梳所覆蓋的頻率范圍盡可能地拓寬，以收集樣品在不同頻段所展現(xiàn)的光學(xué)特性；同時(shí)，通過(guò)合理調(diào)整光子晶體光纖22入射光的偏振態(tài)、峰值功率、脈沖寬度等參數(shù)，使得兩臺(tái)光學(xué)頻率梳具有較為一致的輸出光譜分布，這有利于提高雙光梳光譜探測(cè)中產(chǎn)生的射頻譜的覆蓋范圍與精度，從而影響光譜測(cè)量結(jié)果的優(yōu)劣。
[0032](5)為提高光譜測(cè)量的精確度，通常將經(jīng)過(guò)頻域展寬兩路光梳激光分別通過(guò)可調(diào)帶通濾波器23，將光學(xué)頻率梳較寬的光譜范圍分段，依次經(jīng)過(guò)樣品進(jìn)行探測(cè)，再將不同頻段的光譜測(cè)量結(jié)果合并在一起還原整個(gè)測(cè)試圖像?？烧{(diào)帶通濾波器23的中心波長(zhǎng)應(yīng)與光梳的中心輸出波長(zhǎng)一致，此處為1550nm。
[0033](6)將光學(xué)頻率梳19的輸出光作為探測(cè)光，光學(xué)頻率梳種子源20的輸出光作為參考光進(jìn)行水分子樣品的吸收光譜探測(cè)，通過(guò)使用偏振分束器25，將經(jīng)過(guò)水分子樣品池26的探測(cè)光與未經(jīng)過(guò)水分子樣品池26的探測(cè)光均與參考光進(jìn)行相干合束探測(cè)，以提高到探測(cè)信號(hào)的對(duì)比度，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)性與可靠性；偏振片24的作用在于進(jìn)一步提升探測(cè)到的光譜信號(hào)的信噪比。
[0034](7)兩臺(tái)光梳的干涉信號(hào)通過(guò)用平衡探測(cè)法搭建的光譜探測(cè)裝置13進(jìn)入數(shù)據(jù)采集模塊14中進(jìn)行數(shù)據(jù)收集與處理，得到同時(shí)攜帶樣品光譜信息與光梳頻率漂移量的干涉信號(hào)f。
[0035](8)另一方面，通過(guò)將光學(xué)頻率梳19和光學(xué)頻率梳種子源20的輸出光分束，兩臺(tái)光梳分別與連續(xù)穩(wěn)頻激光器21的輸出光進(jìn)行拍頻，光梳與連續(xù)激光的拍頻與信號(hào)濾取模塊29與30均包含了反射式光柵、小孔光闌、聚焦透鏡、雪崩光電探測(cè)器、窄帶濾波器等拍頻信號(hào)探測(cè)與濾取元件；需合理調(diào)整各個(gè)光學(xué)器件的俯仰角度與相對(duì)位置，使探測(cè)到的拍頻信號(hào)幅度大于25dB,同時(shí),兩個(gè)模塊中窄帶濾波器的選擇需濾取位于同一位置的光梳梳齒與連續(xù)激光產(chǎn)生的拍頻信號(hào)，以保證整個(gè)系統(tǒng)的頻率精準(zhǔn)度。
[0036](9)由光梳與連續(xù)激光的拍頻與信號(hào)濾取模塊29與30分別產(chǎn)生的射頻信號(hào)fbeatl與fbeat2經(jīng)過(guò)混頻器得到差頻信號(hào)fOTOT= I fbeatl- fbeat21，其包含了由第二臺(tái)光梳未經(jīng)鎖定的載波包絡(luò)相位頻率所引起的光梳系統(tǒng)頻率抖動(dòng)量。
[0037](10)將同時(shí)攜帶樣品光譜信息與光梳頻率漂移量的干涉信號(hào)f丨與差頻信號(hào)兩個(gè)信號(hào)混頻與濾波，通過(guò)合理選擇混頻器與濾波器的響應(yīng)頻率與帶寬，將兩個(gè)信號(hào)的差頻信號(hào)fsignal提取出來(lái)，再將fsignal信號(hào)進(jìn)入傅里葉變換分析儀中進(jìn)行光譜還原，從而抵消掉由光學(xué)頻率梳的頻率不穩(wěn)定給光譜測(cè)量結(jié)果帶來(lái)的誤差，實(shí)現(xiàn)通過(guò)控制并獲取一臺(tái)飛秒光學(xué)頻率梳經(jīng)過(guò)待測(cè)樣品后的幅度與相位而得到光譜信息的新型測(cè)量方法。
【權(quán)利要求】
1.一種基于光學(xué)頻率梳的光譜測(cè)量方法，涉及待測(cè)樣品，其特征在于所述測(cè)量方法至少包括如下步驟:采用一臺(tái)時(shí)域和頻域可控的光學(xué)頻率梳I，將其輸出的一部分光信號(hào)調(diào)制一個(gè)由相位調(diào)制器組成的環(huán)形激光諧振腔，使所述環(huán)形激光諧振腔成為重復(fù)頻率穩(wěn)定的光學(xué)頻率梳II。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光學(xué)頻率梳的光譜測(cè)量方法，其特征在于分別將所述光學(xué)頻率梳1、II的輸出激光進(jìn)行分束；將所述光學(xué)頻率梳I和II的一部分輸出激光分別與連續(xù)穩(wěn)頻激光做拍頻，得到攜帶有所述光學(xué)頻率梳I的載波包絡(luò)相位漂移頻率信息的差頻信號(hào);所述光學(xué)頻率梳I的另一部分輸出激光作為探測(cè)光進(jìn)入樣品池測(cè)量所述待測(cè)樣品后再進(jìn)入探測(cè)模塊，同時(shí)所述光學(xué)頻率梳II的另一部分輸出激光作為參考光直接進(jìn)入所述探測(cè)模塊，所述探測(cè)模塊輸出兩者的干涉信號(hào)f,;將所述差頻信號(hào)與所述干涉信號(hào)做混頻，以將所述干涉信號(hào)中由所述光學(xué)頻率梳II產(chǎn)生的頻率不穩(wěn)定度抵消掉，得到光譜信號(hào)fsignal，再將所述光譜信號(hào)fM進(jìn)行傅里葉變換分析,還原所述待測(cè)樣品的光學(xué)特性。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光學(xué)頻率梳的光譜測(cè)量方法，其特征在于所述光學(xué)頻率梳II，即所述環(huán)形激光諧振腔由激光泵浦源、相位調(diào)制器、增益光纖、波分復(fù)用器以及耦合輸出器構(gòu)成，其中所述相位調(diào)制器、增益光纖、波分復(fù)用器以及耦合輸出器依次首尾連接構(gòu)成環(huán)路，所述激光泵浦源與所述波分復(fù)用器連接；在所述光學(xué)頻率梳II與所述光學(xué)頻率梳I之間設(shè)置有分束器、光電探測(cè)器、分頻器以及和頻元器件，所述和頻元器件與所述相位調(diào)制器連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于光學(xué)頻率梳的光譜測(cè)量方法，其特征在于由所述光學(xué)頻率梳I輸出的激光經(jīng)所述分束器進(jìn)行分束，選取其中一路激光通過(guò)所述光電探測(cè)器探測(cè)其重復(fù)頻率信號(hào)，并濾取其基頻信號(hào)，將所述基頻信號(hào)fri的一部分輸入所述分頻器，以獲得差值信號(hào)，其中f,= fiVn，n為分頻倍數(shù)；之后所述差值信號(hào)f,與所述基頻信號(hào)fri的另一部分一同輸入所述和頻元器件，產(chǎn)生兩個(gè)頻率的疊加值作為所述光學(xué)頻率梳II的重復(fù)頻率調(diào)制信號(hào)，加載于所述光學(xué)頻率梳II的所述相位調(diào)制器上，同時(shí)所述激光泵浦源所輸出的激光通過(guò)所述波分復(fù)用器進(jìn)入所述環(huán)形激光諧振腔中，所述相位調(diào)制器利用所述重復(fù)頻率調(diào)制信號(hào)對(duì)輸入的激光進(jìn)行調(diào)制，產(chǎn)生以fr2= fri+f.為間隔的邊帶信號(hào)，再經(jīng)過(guò)所述增益光纖的多次增益與振蕩，形成重復(fù)頻率固定的頻率梳齒，通過(guò)所述耦合輸出器輸出重復(fù)頻率fr2= frjf,，使所述光學(xué)頻率梳I和所述光學(xué)頻率梳II的輸出重復(fù)頻率具有差值f Δ。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光學(xué)頻率梳的光譜測(cè)量方法，其特征在于濾取所述光學(xué)頻率梳I的一部分輸出激光與所述連續(xù)穩(wěn)頻激光拍頻產(chǎn)生的拍頻信號(hào)fbeatl，同時(shí)將所述連續(xù)穩(wěn)頻激光分束與所述光學(xué)頻率梳II的一部分輸出激光進(jìn)行拍頻，并濾取所述光學(xué)頻率梳II與所述光學(xué)頻率梳I相同位置處的梳齒同所述連續(xù)穩(wěn)頻激光產(chǎn)生的拍頻信號(hào)fbMt2 ；之后將所述拍頻信號(hào)fbeatl和fbeat2進(jìn)行差頻探測(cè)，得到差頻信號(hào)femr= I fbeat「fbeat21。
【文檔編號(hào)】G01N21/31GK104316186SQ201410539135
【公開(kāi)日】2015年1月28日 申請(qǐng)日期:2014年10月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月7日
【發(fā)明者】李文雪, 白東碧, 曾和平 申請(qǐng)人:華東師范大學(xué)