[發明專利]一種高集成超高分辨率中紅外雙光梳光譜測量裝置與方法

有效

• 申請號: 202011078202.X
• 申請日: 2020-10-10
• 公開（公告）號: CN112485222B
• 公開（公告）日: 2021-11-16
• 發明（設計）人: 王擂然;孫啟兵;石磊;張文富
• 申請（專利權）人: 中國科學院西安光學精密機械研究所
• 主分類號: G01N21/39
• 分類號: G01N21/39
• 代理公司: 西安智邦專利商標代理有限公司 61211
• 代理人: 汪海艷

本發明涉及一種高集成超高分辨率中紅外雙光梳光譜測量裝置與方法，解決傳統中紅外光譜測量系統面臨的結構復雜以及測量速度與分辨率受限等問題。系統包括泵浦單元，微腔單元，調制單元，分束單元，測試單元，信號探測單元，功率平衡單元，參考探測單元以及頻譜分析單元。方法包括：調節泵浦單元出射激光至微腔單元；調節調制單元進行雙頻調制；微腔單元產生兩套重復頻率有差異的中紅外光頻梳，并被分束單元均分為測試光和參考光；測試光經待測樣品吸收后經信號探測單元進行光電轉換并注入頻譜分析單元；參考光經強度調節后經參考探測單元進行光電轉換并注入頻譜分析單元；頻譜分析單元對測試結果進行傅里葉變換與數據處理，獲得待測樣品吸收光譜。

技術領域

本發明涉及一種中紅外雙光梳光譜測量裝置與方法，尤其涉及一種高集成超高分辨率中紅外雙光梳光譜測量裝置與方法。

背景技術

光學頻率梳(光頻梳、光梳)在時域上為等間隔的超短脈沖序列，頻域上為整齊分布的一系列極窄譜線，是進行光譜分析的天然精密“刻線”，其獨有的寬范圍、窄線寬優點尤其適合于分析測量分子的特征吸收光譜“指紋”信息。雙光梳光譜儀采用兩臺重復頻率(重頻)稍有差異的光頻梳作為干涉光源，相比于精密光譜分析常用的傅里葉變換光譜儀(FTIR)，無需任何機械動臂進行掃描，不僅極大提高了測量穩定性，同時可將光譜分辨率提高約4個數量級(FTIR典型值為幾十MHz)，達到kHz量級；且單次采樣時間縮短4～5個數量級(典型值為數十秒級)，達亞毫秒級。雙光梳光譜儀的高分辨率和快速測量兩大特性，帶來了精密激光光譜領域的革命性進展，成為光譜學研究中最精密、最強有力的工具之一。

傳統雙光梳光譜儀通常采用飛秒鎖模激光器或電光調制光頻梳等構建，但受體積、重量、功耗、測量速度以及成本等因素嚴重制約，仍是實驗室級別的大型研究設備。近幾年隨著芯片級微腔制備工藝進步，高品質因子、低模式體積的微腔可將光場強度增強10⁸，其天然具備的小尺寸、低功耗、色散靈活可控及易與其他有源、無源光子器件規模化集成等優勢，能顯著降低泵浦功率需求、實現寬帶光梳高效產生，并且其重頻比傳統光梳提升2～3個量級，為高分辨率、高集成雙光梳光譜技術開辟了新的途徑。同時，絕大多數分子的吸收光譜特征峰集中在中紅外波段，此波段光譜吸收強度通常比近紅外波段高1～2個數量級；因此面向現實應用，亟需突破中紅外微腔雙光梳技術。然而，由于微腔光梳系統受熱效應影響，通常需采用高功率窄線寬光源在微腔諧振頻率附近快速掃描以實現穩定頻梳產生，而且需精確控制掃頻時序，過程較為復雜。尤其是對于中紅外微腔雙光梳，將面臨更嚴重的掃頻光源性能限制，導致頻梳產生困難且調諧過程復雜；而且一般需兩套獨立的光梳裝置構建雙光梳光譜儀，致使整體系統體積龐大、造價高昂。雖然集成度比傳統雙光梳光譜儀有所提升，但依然僅能工作于實驗室環境，極大限制了其現實應用及未來發展。

發明內容

本發明的目的是提供一種高集成超高分辨率中紅外雙光梳光譜測量裝置與方法，解決傳統雙光梳光譜測量系統體積大、結構復雜、分辨率及測量速度受限及微腔雙光梳測量系統對掃頻光源性能的依賴、調諧過程繁瑣及結構復雜等問題，實現高集成、超高分辨率、快測量速度、調諧過程簡單的中紅外雙光梳光譜測量系統，為精密光譜分析領域前沿提供關鍵研究工具并帶來系列現實應用，具有重要研究意義與廣泛實用價值。

實現雙光梳光譜儀的關鍵核心在于高性能光梳系統的構建。基于微腔構建的光梳，比傳統的光纖或固體鎖模激光器構建的光梳系統具有更小體積、更低功耗與更高重頻。相比于硅、二氧化硅、氮化硅、氟化鎂、氮化鋁等常見微腔材料，鈮酸鋰同時具備很高的三階和二階非線性效應，因此不僅可廣泛應用于倍頻、差頻、四波混頻等過程，尤其是二階非線性效應(電光效應，普克爾效應)使之擁有可快速電光調制的能力，結合其覆蓋近紅外至中紅外波段的優良線性低損耗特性，成為了獨具特色與優勢的材料。此外，目前常用的微腔頻梳產生主要包括基于電光調制的EO頻梳和基于四波混頻的Kerr頻梳；E0頻梳的閾值較低但帶寬較窄，而Kerr頻梳則正好相反。因此，通過發揚鈮酸鋰兼具三階非線性與可電光調制能力并將二者有機結合，可有效解決傳統方法的不足，并在此基礎上實現更先進和更強大的雙光梳光譜儀。