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)是近年來光學(xué)領(lǐng)域備受矚目的研究方向之一。這項技術(shù)不僅在光譜分析、激光測距、厚膜檢測、泵浦探測等領(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。

正文

單腔雙光梳技術(shù)是近年來光學(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，實現(xiàn)了在單個微腔中同時產(chǎn)生兩個頻率間隔均勻的光學(xué)頻率梳。這項技術(shù)不僅在光譜分析、激光測距、厚膜檢測、泵浦探測等領(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。

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、工業(yè)過程控制、大氣研究、燃燒分析等多個領(lǐng)域。通過測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量光強(qiáng)隨波長的變化情況。與傳統(tǒng)方法相比，傅里葉變換光譜具有同時捕獲整個光譜的優(yōu)勢，使得其能在單次測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)：傅里葉變換光譜測量中的光學(xué)延遲掃描

傳統(tǒng)的傅里葉變換光譜在實現(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)制通常會在速度、靈敏度和可靠性方面帶來限制。這些限制推動了對替代方法的探索，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實現(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)械掃描或移動部件。相反，它利用兩個精確控制的頻率梳來生成穩(wěn)定且相干的時間干涉圖案，并通過簡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，允許實時、連續(xù)地監(jiān)測氣體樣品。使用簡單的光電二極管，便可以快速捕獲整個氣體光譜而無需任何機(jī)械掃描來實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集。這種高刷新率對于實時測量至關(guān)重要的動態(tài)氣體分析和過程特別有價值。

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實現(xiàn)高分辨率的氣體分析。然而，在單腔配置中，由于兩個光梳之間的相干時間有限，自由運(yùn)行的它們會面臨著共同的問題。

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

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

另一種方法是利用重頻差，從而進(jìn)行自洽的相對光學(xué)相位采樣。在這種情況下，可以在無限長的測量時間內(nèi)獲得梳線分辨測量結(jié)果。這種方法消除了對穩(wěn)定電子設(shè)備的需求，仍然實現(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，使其能夠在較長時間內(nèi)執(zhí)行高分辨率高刷新率的氣體測量。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量，為氣體傳感和過程控制應(yīng)用提供了更易于使用的解決方案。

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