安徽光機(jī)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(shí)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(diǎn)，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(shí)域?yàn)榈乳g距的超短激光脈沖序列，頻域?yàn)榈乳g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(jì)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(shí)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(yùn)行狀態(tài)，導(dǎo)致輸出脈沖到達(dá)時(shí)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(jī)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(shí)現(xiàn)對和兩個(gè)自由度的正交控制。這樣，通過反饋控制，將和同時(shí)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(shí)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(shí)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(jì)量局(NIST)、德國馬普研究所以及加拿大的Laval大學(xué)等研究團(tuán)隊(duì)許多重要貢獻(xiàn)，分別發(fā)展出了不同的DCS實(shí)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(shí)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(yùn)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(shí)測值(綠色和黑色實(shí)線)與由吸收譜數(shù)據(jù)經(jīng)Kramers–Kronig關(guān)系計(jì)算結(jié)果(藍(lán)色點(diǎn)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(shí)時(shí)跟蹤記錄光梳定時(shí)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(tuán)隊(duì)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(shí)抖動與相位波動信號，并利用FPGA平臺實(shí)現(xiàn)了對C2H2長達(dá)24小時(shí)的干涉圖實(shí)時(shí)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(tuán)隊(duì)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(shí)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(yùn)轉(zhuǎn)的激光器和常規(guī)電子器件，更加有利于儀器化和實(shí)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(shí)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(diǎn)，該方案是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一，并已成功進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)演示。

　　圖8基于腔調(diào)諧與延時(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)時(shí)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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