基于飛秒光學頻率梳的乙炔氣體光譜測量

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勢，在分子和原子光譜分析領域得到了快速的發展。首先簡要介紹雙光梳光譜測量技術的基本原理，然后根據實驗室現有條件，建立相應的雙光梳光譜測量裝置，并針對乙炔氣體進行可行性驗證。

關鍵詞：雙光梳光譜學；激光光譜學；光譜分析；光學頻率梳；雙光梳系統

中圖分類號：TN249文獻標識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.12.012

光學頻率梳（optical frequency comb ，OFC）作為一種高精度的頻率測量工具，在前沿物理領域得到了廣泛的應用[1]。光梳通過將光頻率和微波頻率相聯系，通過兩者之間的直接關聯，可以有效地實現對光學頻率的計量[2-3]。在實際應用方面，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]、高精度速度監測[7]、激光雷達[8]、光纖傳感[9]和激光多普勒測速[10]等方面得到廣泛的應用。由于飛秒激光頻率梳具有帶寬高、短時穩定和長時穩定效果好的特點，近些年其在高精度光譜測量方面實現了長足的進步，出現了許多新光譜測量方法[11-13]?，F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，在腔增強或腔衰蕩法中[12]，可以將高品質因數的激光脈沖耦合進光學諧振腔，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，將飛秒光學頻率梳作為光源，實現光譜的測量[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實現了重大突破。以美國國家標準與技術研究院（NIST）為代表的許多國際科研機構[16-17]，在深入研究DCS原理和各個舉出方向方面實現了許多突破性進展，為DCS的發展方向和應用前途提出了許多重要研究方向。

在實際應用中，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行氣體濃度、溫度、壓強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]、航空發動機尾氣成分分析等領域，已經有學者進行其他光譜分析技術的應用研究。DCS作為一種高速高精度的光譜分析技術[21]，其同樣具有廣泛的應用前景。本文在雙光梳光譜原理分析的基礎上，進行了乙炔氣體光譜分析測量，實現了簡化光梳鎖定系統的情況下，光譜分辨率仍然能達到相對較高的水平。

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，進行檢測和數據采樣。同時可以通過移動動鏡，實現移動脈沖對靜止脈沖的掃描，從而得到兩者的相關干涉圖，經過傅里葉變換可以得到待測樣品的吸收譜圖。為了實現不進行機械運動也能實現掃描的效果，可以利用兩臺重復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。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鎖定在同一臺頻率基準上（本試驗采用銣鐘作為頻率基準）實現兩臺光梳的同步，然后兩束光分別通過調節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的吸收光譜信號。

2光譜測量性能評估

3結論

本文設計并實現了一種基于雙光梳光譜的氣體光譜分析裝置，并進行了乙炔氣體的測試，計算得到系統的光譜分辨率為2.81GHz。在免去復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的互線寬，下一步工作可以通過進一步優化兩臺光梳的線寬，從而進一步提高光譜分辨率。

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（責任編輯陳東曉）

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