基于飞秒光学频率梳的乙炔气体光谱测量

高宇炜 武腾飞 张磊 韩继博 赵春播 夏传青

摘要：双光梳光谱分析技术近年来凭借高分辨率、高灵敏度、宽光谱覆盖和快速测量的优势，在分子和原子光谱分析领域得到了快速的发展。首先简要介绍双光梳光谱测量技术的基本原理，然后根据实验室现有条件，建立相应的双光梳光谱测量装置，并针对乙炔气体进行可行性验证。

关键词：双光梳光谱学；激光光谱学；光谱分析；光学频率梳；双光梳系统

中图分类号：TN249文献标识码：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.12.012

光学频率梳（optical frequency comb ，OFC）作為一种高精度的频率测量工具，在前沿物理领域得到了广泛的应用[1]。光梳通过将光频率和微波频率相联系，通过两者之间的直接关联，可以有效地实现对光学频率的计量[2-3]。在实际应用方面，飞秒激光频率梳在精密时间计量[4]、精密宽带光谱测量[5]、高精度距离测量[6]、高精度速度监测[7]、激光雷达[8]、光纤传感[9]和激光多普勒测速[10]等方面得到广泛的应用。由于飞秒激光频率梳具有带宽高、短时稳定和长时稳定效果好的特点，近些年其在高精度光谱测量方面实现了长足的进步，出现了许多新光谱测量方法[11-13]。现有的测量方法主要分为两类：第一类是在原有的光谱测量方法的基础上，将普通光源替换为飞秒光源，利用飞秒光源的特点，提升光谱测量精度，如在傅里叶变换光谱法中[11]，使用飞秒光源可以增加主动探测的光谱范围，在腔增强或腔衰荡法中[12]，可以将高品质因数的激光脉冲耦合进光学谐振腔，提升测量灵敏度；第二类是基于光梳的相干性，利用异步光取样的方法，将飞秒光学频率梳作为光源，实现光谱的测量[13]。由于该光谱测量方法利用了两台光梳作为相干光源，这种方法一般被称为双光梳光谱法（DCS）。这种方法的基本原理是2002年由Schiller[14]首次提出的。在2004年，Keilmann[15]等首次通过试验证实了该原理具有实际可行性和有效性。自此DCS方法在精密激光光谱方向实现了重大突破。以美国国家标准与技术研究院（NIST）为代表的许多国际科研机构[16-17]，在深入研究DCS原理和各个举出方向方面实现了许多突破性进展，为DCS的发展方向和应用前途提出了许多重要研究方向。

在实际应用中，对光谱测量速度和精度的需求也日益提升，通过光谱分析方法进行气体浓度、温度、压强等物理量的计算的需求也日益增多。在汽车尾气排放[18-19]，温室气体排放[20]、航空发动机尾气成分分析等领域，已经有学者进行其他光谱分析技术的应用研究。DCS作为一种高速高精度的光谱分析技术[21]，其同样具有广泛的应用前景。本文在双光梳光谱原理分析的基础上，进行了乙炔气体光谱分析测量，实现了简化光梳锁定系统的情况下，光谱分辨率仍然能达到相对较高的水平。

1原理及试验装置

1.1双光梳光谱测量原理

双光梳光谱法的基本原理是，光梳产生的激光脉冲序列通过半透镜后被分为两束光，其中一束光通过固定的反射镜，另外一束光则通过可动反射镜反射，分别构成了静止脉冲和移动脉冲。两束激光最终汇合通过样品，最后照射在光电探测器上，进行检测和数据采样。同时可以通过移动动镜，实现移动脉冲对静止脉冲的扫描，从而得到两者的相关干涉图，经过傅里叶变换可以得到待测样品的吸收谱图。为了实现不进行机械运动也能实现扫描的效果，可以利用两台重复频率差很小的两台光梳分别替代静止脉冲和移动脉冲，具体实现方式如图1所示[22-23]。

1.2试验装置

基于以上原理，搭建了如图3所示的双光梳光谱测量系统。其中，comb1和comb2分别为两台光频梳，HWP为二分之一波片，PBS为分束立方体，M为反射镜，PD为光电探测器。将两台光频梳锁通过锁定系统锁定在同一台频率基准上（本试验采用铷钟作为频率基准）实现两台光梳的同步，然后两束光分别通过调节偏振的二分之一波片使得两者的偏振方向一致，从而在PBS中合束后通过反射气室，气室两面都镀有反射层使得吸收光程增加，然后出射光通过反射镜打在光电探测器上，通过上位机控制的采集卡采集带有吸收光谱信息的拍频信号。将采集到的信号进行傅里叶变换，从而得到乙炔气体在带通滤光片指定范围内的吸收光谱信号。

2光谱测量性能评估

3结论

本文设计并实现了一种基于双光梳光谱的气体光谱分析装置，并进行了乙炔气体的测试，计算得到系统的光谱分辨率为2.81GHz。在免去复杂的偏置频率锁定装置的情况下，相对损失的光谱分辨率较小，通过试验验证了双光梳光谱的高速高分辨率特性。由于影响光谱分辨率的主要因素为双光梳系统的互线宽，下一步工作可以通过进一步优化两台光梳的线宽，从而进一步提高光谱分辨率。

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（责任编辑陈东晓）

作者简介

高宇炜（1997-）男，硕士研究生。主要研究方向：双光梳光谱测量。

Tel：010-62457101E-mail：gaoyuweiabc@126.com

武腾飞（1983-）男，研究员。主要研究方向：飞秒激光及其精密测量领域的研究。

Tel：010-62457101E-mail：tengfei.wu@163.co

C2H2Spectrum Measurement Based on Femtosecond Optical Frequency Comb

Gao Yuwei，Wu Tengfei*，Zhang Lei，Han Jibo，Zhao Chunbo，Xia Chuanqing

Science and Technology on Metrology and Calibration Laboratory，Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Dynamic Testing and Calibration，AVIC Changcheng Institute of Metrology & Measurement，Beijing 100095，China

Abstract： With the advantages of high resolution， high sensitivity， wide spectral coverage and rapid measurement， the dual-comb spectroscopy technology has developed rapidly in the field of molecular and atomic spectroscopy. First， the basic principle of the dual-comb spectrum measurement technology is briefly introduced， and then a corresponding dual-comb spectrum measurement device is established according to the existing conditions of the laboratory， and the feasibility of the acetylene gas is verified.

Key Words： dual-comb spectroscopy； laser spectroscopy； spectroscopy； optical frequency comb； dual-comb system