超快飛秒光學(xué)新工具！單腔雙光梳的氣體光譜應(yīng)用前景

介紹

單腔雙光梳技術(shù)是近年來(lái)光學(xué)領(lǐng)域備受矚目的研究方向之一。這項(xiàng)技術(shù)不僅在光譜分析、激光測(cè)距、厚膜檢測(cè)、泵浦探測(cè)等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景，還為研究精密光譜學(xué)、量子光學(xué)、光子學(xué)等提供了全新的研究平臺(tái)。

正文

單腔雙光梳技術(shù)是近年來(lái)光學(xué)領(lǐng)域備受矚目的研究方向之一。它利用了光學(xué)微腔的特殊結(jié)構(gòu)和雙光梳的高度頻率穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了在單個(gè)微腔中同時(shí)產(chǎn)生兩個(gè)頻率間隔均勻的光學(xué)頻率梳。這項(xiàng)技術(shù)不僅在光譜分析、激光測(cè)距、厚膜檢測(cè)、泵浦探測(cè)等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景，還為研究精密光譜學(xué)、量子光學(xué)、光子學(xué)等提供了全新的研究平臺(tái)。

氣體傳感和光譜分析

氣體光譜學(xué)是一種應(yīng)用廣泛的強(qiáng)大技術(shù)，其被廣泛用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、工業(yè)過(guò)程控制、大氣研究、燃燒分析等多個(gè)領(lǐng)域。通過(guò)測(cè)量光與氣體分子之間的相互作用，光譜學(xué)為我們提供了一種深入了解氣體組成、濃度以及其他屬性的重要工具。

在氣體光譜學(xué)中，光譜分析法是常用的手段之一。這類方法一般利用干涉儀測(cè)量光強(qiáng)隨波長(zhǎng)的變化情況。與傳統(tǒng)方法相比，傅里葉變換光譜具有同時(shí)捕獲整個(gè)光譜的優(yōu)勢(shì)，使得其能在單次測(cè)量中分析多種氣體物種，極大地提高了效率和準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵挑戰(zhàn)：傅里葉變換光譜測(cè)量中的光學(xué)延遲掃描

傳統(tǒng)的傅里葉變換光譜在實(shí)現(xiàn)高分辨率和高刷新率方面面臨著挑戰(zhàn)。光譜分辨率受到干涉儀臂長(zhǎng)差異的限制，這可能需要直接的光學(xué)延遲路徑調(diào)整。此外，傅里葉變換光譜中使用的機(jī)械掃描機(jī)制通常會(huì)在速度、靈敏度和可靠性方面帶來(lái)限制。這些限制推動(dòng)了對(duì)替代方法的探索，克服這些挑戰(zhàn)就可以在氣體光譜應(yīng)用中獲得更好的性能。

雙梳光譜

雙梳光譜技術(shù)，其利用頻率梳的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)具有高刷新速率的高分辨率氣體光譜。與傳統(tǒng)的光譜方法不同，雙梳光譜不依賴機(jī)械掃描或移動(dòng)部件。相反，它利用兩個(gè)精確控制的頻率梳來(lái)生成穩(wěn)定且相干的時(shí)間干涉圖案，并通過(guò)簡(jiǎn)單的傅立葉變換從中提取光譜信息。此外，雙梳光譜提供高速的刷新率，允許實(shí)時(shí)、連續(xù)地監(jiān)測(cè)氣體樣品。使用簡(jiǎn)單的光電二極管，便可以快速捕獲整個(gè)氣體光譜而無(wú)需任何機(jī)械掃描來(lái)實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集。這種高刷新率對(duì)于實(shí)時(shí)測(cè)量至關(guān)重要的動(dòng)態(tài)氣體分析和過(guò)程特別有價(jià)值。

使用單腔雙梳激光器的雙梳光譜

在雙梳光譜領(lǐng)域，單腔雙梳激光器提供了一種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)高分辨率的氣體分析。然而，在單腔配置中，由于兩個(gè)光梳之間的相干時(shí)間有限，自由運(yùn)行的它們會(huì)面臨著共同的問(wèn)題。

為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，一般會(huì)采用兩種策略：快速測(cè)量或者增加長(zhǎng)期相干計(jì)算平均的額外處理步驟。在快速測(cè)量的策略下，就必須高速執(zhí)行數(shù)據(jù)采集，以在有限的相干時(shí)間內(nèi)捕獲所需要的信息。這種方法允許對(duì)氣體樣品進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，但可能對(duì)某些應(yīng)用施加限制。

若想要增加額外的處理步驟來(lái)獲得單腔雙梳光譜中的長(zhǎng)期相干平均值，第1種方法是引入輔助的連續(xù)激光器來(lái)跟蹤梳之間相對(duì)相位的演變，這樣無(wú)需外部穩(wěn)定電子設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定的測(cè)量。

另一種方法是利用重頻差，從而進(jìn)行自洽的相對(duì)光學(xué)相位采樣。在這種情況下，可以在無(wú)限長(zhǎng)的測(cè)量時(shí)間內(nèi)獲得梳線分辨測(cè)量結(jié)果。這種方法消除了對(duì)穩(wěn)定電子設(shè)備的需求，仍然實(shí)現(xiàn)了精確的氣體分析。

這兩種策略都增強(qiáng)了單腔雙梳光譜分析的能力，使其能夠在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)執(zhí)行高分辨率高刷新率的氣體測(cè)量。單腔雙梳激光器能夠在不依賴穩(wěn)定外界電子器件的情況下獲得梳狀線分辨測(cè)量，為氣體傳感和過(guò)程控制應(yīng)用提供了更易于使用的解決方案。

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