双光梳光谱技术（DCS）技术研究进展

　　安徽光机所毛庆和研究员课题组在2018年第4期发表了“双光梳光谱技术研究进展”一文，该文章从OFC出发，以异步光学取样原理与噪声特性为主线，对DCS的测量原理、实现方案、性能指标、应用技术与仪器化以及未来可能的发展趋势进行综合述评与预测。

　　双光梳光谱技术(DCS)是基于光学频率梳发展出的新型主动光谱探测技术，具有集高分辨率、高灵敏度、宽光谱覆盖与快速采集于一身的优点，备受人们青睐。近年来，DCS技术发展迅速，新原理、新方法、新技术和新应用相继涌现，展现出了广阔的应用前景。

　　DCS光学频率梳(OFC)在时域为等间距的超短激光脉冲序列，频域为等间隔腔模构成的梳齿线，相邻梳齿之间的间隔(一般处于射频波段)精确等于脉冲序列重复频率。OFC的发明如同在频域内找到了一把标尺，使光学频率与微波频率标准相关联，从根本上解决了光频直接计量问题，J. L. Hall和T. W. Hansch也因发明光梳而获得了2005年诺贝尔物理学奖。

　　DCS以OFC作为光源，OFC为理想的锁模激光器，时域上是周期性脉冲序列，频域上是稳定等间隔梳状结构。但是，受环境等噪声影响，锁模激光器会偏离理想运行状态，导致输出脉冲到达时间产生抖动，载波相位出现涨落，表现为在重复频率和载波包络偏移频率上叠加了噪声，使得梳齿频率发生随机变化。根据锁模激光器理论，可分别通过反馈调节激光器腔长和泵浦电流，实现对和两个自由度的正交控制。这样，通过反馈控制，将和同时锁定至频率标准，则可稳定任意梳齿的频率，即构成了光梳。

　　实现方案

　　在DCS中，对两台OFC相干性和稳定性要求高，任何微小脉冲定时抖动(重复频率噪声)和载波相位波动(偏移频率噪声)，均会导致干涉图失真，这将不允许通过对干涉图相干平均来提高SNR。经十多年的努力，特别是美国科罗拉多大学和美国国家标准计量局(NIST)、德国马普研究所以及加拿大的Laval大学等研究团队许多重要贡献，分别发展出了不同的DCS实现方案。

　　相干DCS

　　采用光频锁定的光梳，提高每台光梳的绝对相干性，来确保两台光梳之间的互相干性。

　　NIST的Newbury等人采用该方案，有效消除了干涉图失真，允许对干涉图进行数十分钟的相干平均，分辨率可达理论值100 MHz，实现了单根梳齿线的分辨，测得光谱SNR也高达35 dB。他们已将这种相干DCS装置用于km级开放光程多组分路径平均温室气体(CO2、CH4、H2O等)浓度的在线测量，测得的H2O、CO2和CH4浓度精度分别优于22 ppm、1 ppm和3 ppb。该技术现正朝着更宽带宽、更高功率以及运动平台装置方向发展。

(a) 相干DCS的结构示意图;(b) 测量的HCN相位和透过光谱;(c) 对图(b)中195 THz附近的局部放大图，其中相位和透过谱的实测值(绿色和黑色实线)与由吸收谱数据经Kramers–Kronig关系计算结果(蓝色点线，偏置0.1 rad)相吻合

　　自适应DCS

　　2008年，加拿大Laval大学Giaccari等人提出了一种利用光纤光栅实时跟踪记录光梳定时抖动与相位波动，再在后续数据采集与处理中消除的方案，该方案也能有效地消除干涉图失真，允许通过相干平均来提高检测SNR。

　　2012年，Giaccari团队改进了以上方案，利用连续波激光器作为中间振荡器来提取定时抖动与相位波动信号，并利用FPGA平台实现了对C2H2长达24小时的干涉图实时校正和相干平均，获得了高达55 dB的SNR。

　　2014年，诺贝尔奖获得者Hänsch团队使用常规电子器件大幅降低了该类DCS系统对数据处理和存储软硬件的要求，实现了梳齿分辨的光谱分辨率。近期，David Burghoff等人提出采用卡尔曼数字滤波器直接对采集的干涉图进行校正，无需额外的参考信号提取装置。该技术只需采用自由运转的激光器和常规电子器件，更加有利于仪器化和实用化。

　　图 (a) 基于FBG跟踪记录误差信号的自适应DCS方案;(b) 自适应DCS的测量结果.

　　单光梳DCS

　　除了上述两种方案外，若两串脉冲序列由同一台OFC(或飞秒激光器)产生，则它们将具有天然互相干性，由此构建的DCS不仅可避免干涉图失真、实现相干平均，而且因只需一台激光器还具有结构简单、低成本等优点，该方案是当前的研究热点之一，并已成功进行了实验演示。

　　图8基于腔调谐与延时复用技术的单光梳DCS方案的结构示意图(a)和测量原理(b).

　　发展趋势

　　迄今所有DCS方案的演示应用实验均表明，DCS技术是一种集高分辨率、高灵敏度、宽光谱覆盖及实时测量等指标于一身的新型光谱分析技术。尽管DCS技术的光谱测量性能指标已达到了很高水平，但未来依然具有很大发展空间。就光谱分辨率而言，通过解决切趾、光梳互相干性等问题，DCS光谱分辨率从早期的数十GHz提高至光梳重复率(~100 MHz)。

　　参考文献： 中国光学期刊网

　　您好,可以免费咨询,技术客服,Daisy

　　：筱晓(上海)光子技术有限公司

　　欢迎大家给我们留言，私信我们会详细解答，分享产品链接给您。