安徽光機所毛慶和研究員課題組在2018年第4期發(fā)表了“雙光梳光譜技術(shù)研究進(jìn)展"一文，該文章從OFC出發(fā)，以異步光學(xué)取樣原理與噪聲特性為主線，對DCS的測量原理、實現(xiàn)方案、性能指標(biāo)、應(yīng)用技術(shù)與儀器化以及未來可能的發(fā)展趨勢進(jìn)行綜合述評與預(yù)測。

　　雙光梳光譜技術(shù)(DCS)是基于光學(xué)頻率梳發(fā)展出的新型主動光譜探測技術(shù)，具有集高分辨率、高靈敏度、寬光譜覆蓋與快速采集于一身的優(yōu)點，備受人們青睞。近年來，DCS技術(shù)發(fā)展迅速，新原理、新方法、新技術(shù)和新應(yīng)用相繼涌現(xiàn)，展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景。

　　DCS光學(xué)頻率梳(OFC)在時域為等間距的超短激光脈沖序列，頻域為等間隔腔模構(gòu)成的梳齒線，相鄰梳齒之間的間隔(一般處于射頻波段)精確等于脈沖序列重復(fù)頻率。OFC的發(fā)明如同在頻域內(nèi)找到了一把標(biāo)尺，使光學(xué)頻率與微波頻率標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)聯(lián)，從根本上解決了光頻直接計量問題，J. L. Hall和T. W. Hansch也因發(fā)明光梳而獲得了2005年諾貝爾物理學(xué)獎。

　　DCS以O(shè)FC作為光源，OFC為理想的鎖模激光器，時域上是周期性脈沖序列，頻域上是穩(wěn)定等間隔梳狀結(jié)構(gòu)。但是，受環(huán)境等噪聲影響，鎖模激光器會偏離理想運行狀態(tài)，導(dǎo)致輸出脈沖到達(dá)時間產(chǎn)生抖動，載波相位出現(xiàn)漲落，表現(xiàn)為在重復(fù)頻率和載波包絡(luò)偏移頻率上疊加了噪聲，使得梳齒頻率發(fā)生隨機變化。根據(jù)鎖模激光器理論，可分別通過反饋調(diào)節(jié)激光器腔長和泵浦電流，實現(xiàn)對和兩個自由度的正交控制。這樣，通過反饋控制，將和同時鎖定至頻率標(biāo)準(zhǔn)，則可穩(wěn)定任意梳齒的頻率，即構(gòu)成了光梳。

　　實現(xiàn)方案

　　在DCS中，對兩臺OFC相干性和穩(wěn)定性要求高，任何微小脈沖定時抖動(重復(fù)頻率噪聲)和載波相位波動(偏移頻率噪聲)，均會導(dǎo)致干涉圖失真，這將不允許通過對干涉圖相干平均來提高SNR。經(jīng)十多年的努力，特別是美國科羅拉多大學(xué)和美國國家標(biāo)準(zhǔn)計量局(NIST)、德國馬普研究所以及加拿大的Laval大學(xué)等研究團隊許多重要貢獻(xiàn)，分別發(fā)展出了不同的DCS實現(xiàn)方案。

　　相干DCS

　　采用光頻鎖定的光梳，提高每臺光梳的絕對相干性，來確保兩臺光梳之間的互相干性。

　　NIST的Newbury等人采用該方案，有效消除了干涉圖失真，允許對干涉圖進(jìn)行數(shù)十分鐘的相干平均，分辨率可達(dá)理論值100 MHz，實現(xiàn)了單根梳齒線的分辨，測得光譜SNR也高達(dá)35 dB。他們已將這種相干DCS裝置用于km級開放光程多組分路徑平均溫室氣體(CO2、CH4、H2O等)濃度的在線測量，測得的H2O、CO2和CH4濃度精度分別優(yōu)于22 ppm、1 ppm和3 ppb。該技術(shù)現(xiàn)正朝著更寬帶寬、更高功率以及運動平臺裝置方向發(fā)展。

(a) 相干DCS的結(jié)構(gòu)示意圖;(b) 測量的HCN相位和透過光譜;(c) 對圖(b)中195 THz附近的局部放大圖，其中相位和透過譜的實測值(綠色和黑色實線)與由吸收譜數(shù)據(jù)經(jīng)Kramers–Kronig關(guān)系計算結(jié)果(藍(lán)色點線，偏置0.1 rad)相吻合

　　自適應(yīng)DCS

　　2008年，加拿大Laval大學(xué)Giaccari等人提出了一種利用光纖光柵實時跟蹤記錄光梳定時抖動與相位波動，再在后續(xù)數(shù)據(jù)采集與處理中消除的方案，該方案也能有效地消除干涉圖失真，允許通過相干平均來提高檢測SNR。

　　2012年，Giaccari團隊改進(jìn)了以上方案，利用連續(xù)波激光器作為中間振蕩器來提取定時抖動與相位波動信號，并利用FPGA平臺實現(xiàn)了對C2H2長達(dá)24小時的干涉圖實時校正和相干平均，獲得了高達(dá)55 dB的SNR。

　　2014年，諾貝爾獎獲得者H?nsch團隊使用常規(guī)電子器件大幅降低了該類DCS系統(tǒng)對數(shù)據(jù)處理和存儲軟硬件的要求，實現(xiàn)了梳齒分辨的光譜分辨率。近期，David Burghoff等人提出采用卡爾曼數(shù)字濾波器直接對采集的干涉圖進(jìn)行校正，無需額外的參考信號提取裝置。該技術(shù)只需采用自由運轉(zhuǎn)的激光器和常規(guī)電子器件，更加有利于儀器化和實用化。

　　圖 (a) 基于FBG跟蹤記錄誤差信號的自適應(yīng)DCS方案;(b) 自適應(yīng)DCS的測量結(jié)果.

　　單光梳DCS

　　除了上述兩種方案外，若兩串脈沖序列由同一臺OFC(或飛秒激光器)產(chǎn)生，則它們將具有天然互相干性，由此構(gòu)建的DCS不僅可避免干涉圖失真、實現(xiàn)相干平均，而且因只需一臺激光器還具有結(jié)構(gòu)簡單、低成本等優(yōu)點，該方案是當(dāng)前的研究熱點之一，并已成功進(jìn)行了實驗演示。

　　圖8基于腔調(diào)諧與延時復(fù)用技術(shù)的單光梳DCS方案的結(jié)構(gòu)示意圖(a)和測量原理(b).

　　發(fā)展趨勢

　　迄今所有DCS方案的演示應(yīng)用實驗均表明，DCS技術(shù)是一種集高分辨率、高靈敏度、寬光譜覆蓋及實時測量等指標(biāo)于一身的新型光譜分析技術(shù)。盡管DCS技術(shù)的光譜測量性能指標(biāo)已達(dá)到了很高水平，但未來依然具有很大發(fā)展空間。就光譜分辨率而言，通過解決切趾、光梳互相干性等問題，DCS光譜分辨率從早期的數(shù)十GHz提高至光梳重復(fù)率(~100 MHz)。

　　參考文獻(xiàn)： 中國光學(xué)期刊網(wǎng)

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