介紹

頻率梳是由一系列離散的、等間隔的元素組成的頻譜。用于生成頻率梳的最流行的機制是通過鎖模激光器穩(wěn)定脈沖串。2005 年，約翰·L·霍爾 (John L. Hall) 和西奧多·W·漢施 (Theodor W. H?nsch) 因其在這一重要領域的貢獻而分享了一半的諾貝爾物理學獎。最近開發(fā)的基于飛秒頻率梳的技術(見圖 1)可用于各種先進測量應用，包括高精度光譜、原子鐘、化學傳感器、超級激光器、長距離通信和激光雷達。

圖 1. 典型頻率梳的時域和頻域。發(fā)表于 J. Hecht，“頻率梳走向大眾”，Laser Focus World，48, 1, 103–108(2012 年 1 月)。

德克薩斯農(nóng)工大學的研究人員在Hans A. Schuessler 教授的帶領下，最近采用普林斯頓儀器公司的科學 InGaAs 相機，通過簡單的實驗裝置在近紅外區(qū)域進行飛秒頻率梳游標光譜分析1。他們的創(chuàng)新工作在指紋近紅外區(qū)域感測溫室氣體方面具有廣泛的應用，是本應用說明的重點。

基本飛秒頻率梳提供規(guī)則的梳狀結構，由數(shù)百萬個可同時訪問的窄線寬激光模式2組成。在過去的十年中，許多方法已將這種寬光譜帶寬和高分辨率的梳狀結構用于從極紫外到太赫茲區(qū)域的光譜。

頻率梳游標光譜的原理于 2007 年由 C. Gohle 等人首次提出。3并簡要概述如下1。故意調整腔長 L 以使腔自由光譜范圍 ( FSR=c/(2nL) )與頻率梳的重復率f r不匹配，從而只有每個第 m個梳模與每個(m- 1)腔體的第階模態(tài)，原始頻率梳的模態(tài)與腔體的諧振頻率類似游標，其比率為FSR/ fr =m/(m-1)。

圖2顯示了FSR/ fr =10/9的情況。如果腔體的精度足夠高，其他非諧振梳狀模式將被強烈抑制，從而為原始梳狀結構提供有效的光譜濾波器。經(jīng)腔體濾波的頻率梳的模間距為mf r，因此對于較大的數(shù)m，可以使用簡單的基于光柵的攝譜儀1來解析。

圖2 游標比FSR/fr=10/9的頻率梳游標光譜方案。紅色虛線為頻率梳模式;黑色實線是腔諧振模式。大紅點標記傳輸?shù)氖釥钅Ｊ?。圖表由德克薩斯 A&M 大學 Hans A. Schuessler 教授提供。發(fā)表于 F. Zhu 等人，“用于寬帶痕量氣體檢測的近紅外頻率梳游標光譜儀”，Optics Express 22(19) 23026–23033 (2014)。

實驗裝置

德克薩斯 A&M 實驗裝置如圖 3 所示。飛秒鉺光纖激光器用作頻率梳源，并采用普林斯頓儀器NIRvana:640科學 InGaAs 相機進行檢測。在模式匹配透鏡之后，頻率梳被耦合到由平面鏡和 2 m 半徑凹面鏡組成的掃描高精度法布里-珀羅腔中。300 mm 焦距Czerny-Turner 光譜儀采用 50 mm x 50 mm、300 槽/mm 鍍金光柵。由振鏡驅動的傾斜鏡與掃描腔同步，用于將不同組的濾波梳映射到 InGaAs 相機傳感器1的一個空間維度上。

圖 3. 實驗裝置包括 NIR 頻率梳源、反射鏡和模式匹配透鏡、高精度掃描腔、Czerny-Turner 光譜儀、振鏡驅動的傾斜鏡以及科學 InGaAs 相機。插圖：飛秒鉺光纖激光器的 (a) 光譜和 (b) 干涉自相關跡線。1 圖表和數(shù)據(jù)由德克薩斯 A&M 大學 Hans A. Schuessler 教授提供。發(fā)表于 F. Zhu 等人，“用于寬帶痕量氣體檢測的近紅外頻率梳游標光譜儀”，Optics Express 22(19) 23026–23033 (2014)。

NIRvana:640 具有二維 640 x 512 InGaAs 焦平面陣列 (FPA)，像素尺寸為 20 μm x 20 μm。相機的曝光時間與 PZT 掃描和振鏡傾斜同步，記錄一張單掃描圖像。為了降低暗電流引起的系統(tǒng)噪聲，F(xiàn)PA 被熱電冷卻至 -80°C。選擇乙炔作為樣品，因為它具有 1510 nm 至 1550 nm 之間的吸收帶，該吸收帶位于 InGaAs 相機1的靈敏度范圍內。

結果與討論

首先在室溫和大氣壓下向腔體中填充 5 ppmv乙炔和空氣的混合物以拍攝樣品圖像。然后使用壓縮空氣吹掃腔體，使研究人員能夠在相同條件下獲取參考圖像。掃描時間為 500 毫秒的圖像顯示出良好的強度對比度。通過調節(jié)腔體長度L，可以改變游標比。

對于500/499的游標比，濾波后的梳齒間距為125GHz，該條件下的分辨率為1.1GHz，對應于大約5個梳齒模式。對于250/249的游標比，分辨率為550 MHz，對應于大約2到3個梳狀模式。

圖 4 顯示了從圖像中檢索到的吸收光譜。提供具有更大光柵和更好匹配 FPA 像素尺寸的光斑尺寸的更高分辨率光譜儀，隨著相機的未來發(fā)展，似乎有可能解決幾百 MHz 間距的單頻梳模式。

圖 4. 從游標比為 500/499 和 250/249 的圖像中檢索到的乙炔吸收光譜(黑色)，并與室溫和大氣壓下 5 ppmv 乙炔的 HITRAN 模擬進行比較(紅色，為了清晰起見，倒置了)：(a) 1510 至 1550 nm 的寬廣范圍，(b) 游標比 500/499 的擴展視野從 1520 至 1530 nm;(c) 在 1510 至 1550 nm 的寬范圍內，游標比為 250/249(請注意，由于解析頻率元素的功率降低，這種情況下的信噪比低于500/499 游標比)。1 數(shù)據(jù)由德克薩斯 A&M 大學 Hans A. Schuessler 教授提供。P 發(fā)表于 F. Zhu 等人，“用于寬帶痕量氣體檢測的近紅外頻率梳游標光譜儀”，Optics Express 22(19) 23026–23033 (2014)。

技術實現(xiàn)

Princeton Instruments 的 NIRvana ?系列InGaAs相機(參見圖 5)通過多種科學性能特點與其他 InGaAs 相機區(qū)分開來，包括深度冷卻、低暗噪聲、高線性度、低讀取噪聲、高幀速率、智能軟件，以及對積分時間的精確控制。

還應該指出的是，雖然 Texas A&M 實驗裝置采用了自制光譜儀，但即用型、最先進的 Princeton Instruments IsoPlane ? SCT-320 光譜儀特別適合執(zhí)行前沿技術應用，例如近紅外范圍內的飛秒頻率梳游標光譜。IsoPlane SCT-320 的設計消除了場像散并大大減少了彗形像差，從而在 27 x 8 mm 焦平面上實現(xiàn)清晰、詳細的成像。

NIRvana InGaAs 相機除了用作 Texas A&M 實驗裝置的一部分外，還用于許多其他NIR-II / SWIR 應用，包括半導體故障分析、太陽能電池檢查、無損檢測、天文學、小動物成像，和單線態(tài)氧檢測4-7。

審核編輯 黃宇