一种高集成超高分辨率中红外双光梳光谱测量装置与方法

摘要

本发明涉及一种高集成超高分辨率中红外双光梳光谱测量装置与方法，解决传统中红外光谱测量系统面临的结构复杂以及测量速度与分辨率受限等问题。系统包括泵浦单元，微腔单元，调制单元，分束单元，测试单元，信号探测单元，功率平衡单元，参考探测单元以及频谱分析单元。方法包括：调节泵浦单元出射激光至微腔单元；调节调制单元进行双频调制；微腔单元产生两套重复频率有差异的中红外光频梳，并被分束单元均分为测试光和参考光；测试光经待测样品吸收后经信号探测单元进行光电转换并注入频谱分析单元；参考光经强度调节后经参考探测单元进行光电转换并注入频谱分析单元；频谱分析单元对测试结果进行傅里叶变换与数据处理，获得待测样品吸收光谱。

说明书

技术领域

本发明涉及一种中红外双光梳光谱测量装置与方法，尤其涉及一种高集成超高分辨率中红外双光梳光谱测量装置与方法。

背景技术

光学频率梳(光频梳、光梳)在时域上为等间隔的超短脉冲序列，频域上为整齐分布的一系列极窄谱线，是进行光谱分析的天然精密“刻线”，其独有的宽范围、窄线宽优点尤其适合于分析测量分子的特征吸收光谱“指纹”信息。双光梳光谱仪采用两台重复频率(重频)稍有差异的光频梳作为干涉光源，相比于精密光谱分析常用的傅里叶变换光谱仪(FTIR)，无需任何机械动臂进行扫描，不仅极大提高了测量稳定性，同时可将光谱分辨率提高约4个数量级(FTIR典型值为几十MHz)，达到kHz量级；且单次采样时间缩短4～5个数量级(典型值为数十秒级)，达亚毫秒级。双光梳光谱仪的高分辨率和快速测量两大特性，带来了精密激光光谱领域的革命性进展，成为光谱学研究中最精密、最强有力的工具之一。

传统双光梳光谱仪通常采用飞秒锁模激光器或电光调制光频梳等构建，但受体积、重量、功耗、测量速度以及成本等因素严重制约，仍是实验室级别的大型研究设备。近几年随着芯片级微腔制备工艺进步，高品质因子、低模式体积的微腔可将光场强度增强10

发明内容

本发明的目的是提供一种高集成超高分辨率中红外双光梳光谱测量装置与方法，解决传统双光梳光谱测量系统体积大、结构复杂、分辨率及测量速度受限及微腔双光梳测量系统对扫频光源性能的依赖、调谐过程繁琐及结构复杂等问题，实现高集成、超高分辨率、快测量速度、调谐过程简单的中红外双光梳光谱测量系统，为精密光谱分析领域前沿提供关键研究工具并带来系列现实应用，具有重要研究意义与广泛实用价值。

实现双光梳光谱仪的关键核心在于高性能光梳系统的构建。基于微腔构建的光梳，比传统的光纤或固体锁模激光器构建的光梳系统具有更小体积、更低功耗与更高重频。相比于硅、二氧化硅、氮化硅、氟化镁、氮化铝等常见微腔材料，铌酸锂同时具备很高的三阶和二阶非线性效应，因此不仅可广泛应用于倍频、差频、四波混频等过程，尤其是二阶非线性效应(电光效应，普克尔效应)使之拥有可快速电光调制的能力，结合其覆盖近红外至中红外波段的优良线性低损耗特性，成为了独具特色与优势的材料。此外，目前常用的微腔频梳产生主要包括基于电光调制的EO频梳和基于四波混频的Kerr频梳；E0频梳的阈值较低但带宽较窄，而Kerr频梳则正好相反。因此，通过发扬铌酸锂兼具三阶非线性与可电光调制能力并将二者有机结合，可有效解决传统方法的不足，并在此基础上实现更先进和更强大的双光梳光谱仪。

为了解决上述问题，基于上述分析，本发明的技术解决方案是提供一种高集成超高分辨率中红外双梳光谱测量装置，其特殊之处在于：包括泵浦单元、调制单元、微腔单元、分束单元、测试单元、信号探测单元、功率平衡单元、参考探测单元及频谱分析单元；

上述泵浦单元用于提供连续泵浦激光；

上述调制单元用于提供双频调制信号，对微腔单元进行电光调制；

上述微腔单元为同时具备电光效应和四波混频效应的微腔，用于接收连续泵浦激光，并通过电光调制及四波混频过程，同时产生两套重复频率有差异的宽带中红外光频梳；

上述分束单元用于将中红外双光梳均分为两路，一路为测试光，另一路为参考光；

上述测试单元用于放置待测样品，进行测试；

上述信号探测单元用于对经过待测样品吸收后的测试光进行光电转换，提供吸收光谱信息并注入至频谱分析单元；

上述功率平衡单元用于均衡测试光与参考光两路双光梳之间的强度差值；

上述参考探测单元用于对参考光进行光电转换，提供参考光谱信息并注入至频谱分析单元；

上述频谱分析单元用于比对测试双光梳与参考双光梳的拍频信号，获得样品测试光谱信息。

进一步地，为了将连续泵浦激光高效耦合至微腔单元中，上述泵浦单元包括依次连接的窄线宽连续激光源和显微物镜；上述窄线宽连续激光源用于出射高功率连续泵浦激光，上述显微物镜用于将泵浦激光模斑压缩后入射到微腔单元。

进一步地，为了接收泵浦激光并通过电光调制及四波混频过程，在较低功率阈值下同时产生两套重复频率稍有差异的宽带中红外光频梳，上述微腔单元为铌酸锂微腔。铌酸锂微腔由单芯片集成的公共波导与环形腔波导组成；其中公共波导的输入端用于接收泵浦激光，输出端用于将产生的光频梳耦合至腔外，环形腔波导用于通过电光调制和四波混频过程产生光频梳；环形腔波导的内、外两侧需分别进行N型掺杂和P型掺杂，并分别与内侧电极及外侧电极相连接。

进一步地，为了提供中心频率稍有差异的双频调制信号，对铌酸锂微腔进行电光调制，上述调制单元为射频信号发生器，射频信号发生器的两个信号输出端口均与铌酸锂微腔外侧(或内侧)电极连接，其公共地线端口与铌酸锂微腔内侧(或外侧)的电极连接。

进一步地，为了将产生的双光梳均分为一路测试光和一路参考光，上述分束单元为分束器；上述分束器的输入端与铌酸锂微腔的公共波导输出端连接；分束器的输出端分别与测试单元和功率平衡单元连接。

进一步地，为了对经历待测样品吸收后的测试光进行光电转换，上述信号探测单元为第一中红外光电探测器，用于提供吸收光谱信息并注入至频谱分析单元。为了对经历功率平衡后的参考光进行光电转换，上述参考探测单元为第二中红外光电探测器，用于提供参考光谱信息并注入至频谱分析单元。

进一步地，为了增强信号对比度，上述功率平衡单元为可调衰减器，用于调控参考光路的强度，均衡测试和参考双光梳之间的强度差值。

进一步地，为了实时分析比对测试光路以及参考光路的双梳拍频信号，上述频谱分析单元为示波器。

本发明还提供一种基于上述装置实现中红外双光梳光谱测量的方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

步骤一、调节泵浦单元，使得出射激光的功率满足微腔单元发生电光调制与四波混频的阈值条件，而且激光的模场面积压缩至最小然后注入至微腔单元中；

步骤二、调节调制单元，使其两个通道分别输出两种中心频率稍有差异的射频信号，对微腔单元进行双频调制；中心频率的差值通常设置为几kHz至几十MHz；

步骤三、微腔单元在双频调制条件下，通过电光调制及四波混频过程，自动同时产生两套重复频率稍有差异的宽带中红外光频梳，并被分束单元均分为一路测试光和一路参考光；

步骤四、测试光入射至待测样品中进行吸收测试，获得吸收光谱信息，然后经信号探测单元进行光电转换；参考光入射至功率平衡单元中，对其进行调节使得参考光与测试光两路双光梳之间的强度相等，增强信号对比度，获得参考光谱信息，然后经参考探测单元进行光电转换；

步骤五、频谱分析单元的两个通道分别接收信号探测单元和参考探测单元的实时信号，对测试结果进行傅里叶变换与数据处理后，即可获得待测样品吸收光谱。

进一步地，步骤一具体为：

调节窄线宽连续激光源出射的高功率连续泵浦激光，使得出射激光的功率满足微腔单元发生电光调制与四波混频的阈值条件；调节显微物镜，将激光的模场面积压缩至最小注入至微腔单元中。

进一步地，步骤二具体为：

步骤2.1、断开射频信号发生器与铌酸锂微腔的连接电路，将信号发生器其中一个通道的中心频率设置为f，f等于铌酸锂微腔的本征谐振频率，而另一个通道设置为f′，f′接近但不等于铌酸锂微腔的本征谐振频率；f与f′的差值一般为几kHz至几十MHz之间，输出功率保持相等；

步骤2.2、打开射频信号发生器与铌酸锂微腔的连接电路，对铌酸锂微腔进行双频调制。

本发明的优点是：

1、本发明采用对微腔进行双频调制的方法，实现单个微腔内同时产生中红外双光梳并以此构建光谱测量装置，突破了传统方法面临的分辨能力、结构复杂、测量速度等瓶颈，能够实现高集成、高分辨、快速测量、构造简单的中红外双光梳光谱测量装置。

2、本发明采用高集成微腔产生的超高重频光梳作为测试载体，可实现超高分辨、超快速度的中红外双梳光谱测量。光梳重频>40GHz、光谱线宽分辨率优于10kHz、测量时间<0.5ms，分别比传统FTIR方法提升了约2-3数量级、3-4数量级以及4-5数量级。

3、本发明充分发挥了铌酸锂兼具电光效应与强三阶非线性效应的优势，产生的中红外双光梳同时具备光谱范围宽和阈值功率低的特点；光谱带宽>700nm、比EO频梳方案提升5-20倍，阈值功率<90mW、比Kerr频梳方案降低约1个量级。

4、本发明仅需一套光梳产生系统即可实现两种不同重频的光梳，相比传统方案，结构更紧凑、成本更低廉。而且泵浦激光与调制信号均是由单台激光器和单个射频信号源同时产生，天然具备同源驱动和同相参考的特点；因此无需额外的同步驱动和相位锁定装置，极大简化了系统结构且噪声更低。

5、本发明采用主动电光调制激发微腔光梳产生并利用级联四波混频进行频率拓展，仅需固定波长激光泵浦，从而避免了其他微腔频梳产生方案对快速扫频光源的依赖，对于高性能光源匮乏的中红外波段意义尤其重大；而且该方法属于内调制，相比于其他外调制方案，无需外置高频调制器件，解决了中红外波段因缺乏高速调制器件导致高重频光梳主动产生难题。同时，该过程无需任何复杂调谐程序、可开机自启动，不易失锁、鲁棒性强。

6、本发明采用双梳同时通过待测样品(即双梳双通)，然后再与参考双梳进行比对的方案，携带吸收光谱信息的载波为低频信号，因此仅需低速光电转换器件即可有效提取所有频域信息；相比于其他单通方法，解决了中红外波段光电探测器件的带宽限制问题。

7、本发明采用对单个微腔进行双频调制的方法实现双光梳同时产生，双光梳之间的重频差值可由射频驱动信号进行灵活控制，相比于其他双光梳产生方案，不仅控制精度更高、调谐范围更大；而且无需对微腔进行温控以改变腔长，因此热稳定性更强。

8、本发明采用两路光梳先光电转换再进行比对的方案，合束功能由示波器在电域实现、无需空间光学合束；因此可节省一套光反射镜和合束器件，进一步降低了系统体积与构建难度，并且环境稳定性更强。

9、本发明实现双光梳光谱测量，工作波段为中红外波段，其灵敏度比近红外及其他波段光谱测量装置高1～2个数量级，而且可测样品种类更多、适用范围更广。

附图说明

图1为本发明的原理框架图；

图2为本发明实施例中的装置结构示意图；

图3为中红外双光梳光谱结果；

图4为测试双梳的示波器时域直接测量结果；

图5为待测气体

图6为傅里叶变换后的频域比对结果；

图中附图标记为：1-窄线宽连续激光源，2-显微物镜，3-铌酸锂微腔，4-射频信号发生器，5-分束器，6-待测样品，7-第一中红外光电探测器，8-可调衰减器，9-第二中红外光电探测器，10-示波器。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步地描述。

参见图1，本实施例高集成超高分辨率中红外双光梳光谱测量装置，包括用于提供连续泵浦激光的泵浦单元，用于提供双频调制信号的调制单元，用于产生宽带中红外双光梳的微腔单元，用于对中红外双光梳分束的分束单元，用于放置待测样品的测试单元，用于提供吸收光谱信息的信号探测单元，用于均衡双光梳强度差值的功率平衡单元，用于提供参考光谱信息的参考探测单元，以及用于测量双梳拍频信号的频谱分析单元。

参见图2，本实施例中泵浦单元为依次连接的窄线宽连续激光源1和显微物镜2，窄线宽连续激光源1用于提供连续泵浦激光，显微物镜2用于将连续泵浦激光高效耦合至微腔单元。微腔单元为铌酸锂微腔3，用于接收泵浦激光并通过电光调制及四波混频效应，同时产生两套重复频率稍有差异的中红外光频梳，简称为中红外双光梳；其他实施例中也可采用其他材料的微腔，只要能够同时具备电光效应和三阶非线性即可。调制单元为射频信号发生器4，用于提供双频调制信号对微腔单元进行电光调制。分束单元为分束器5，用于将中红外双光梳均分为测试光和参考光的两路。测试单元，用于放置待测样品6，进行测试。信号探测单元为第一中红外光电探测器7，用于对经过待测样品6吸收的测试光进行光电转换，提供吸收光谱信息。功率平衡单元为可调衰减器8，用于调控参考光的强度，均衡参考双光梳与经历待测样品6吸收后的测试双光梳强度。参考探测单元为第二中红外光电探测器9，用于对参考光进行光电转换，提供参考光谱信息。频谱分析单元为示波器10，用于比对双梳拍频信号，获得样品测试光谱信息；其他实施例中也可以采用频谱分析仪、矢量信号分析仪等其他形式的电学设备，只要能够对电脉冲信号进行快速探测即可。

从图2中可以看出，本实施例高集成超高分辨率中红外双光梳光谱测量装置中显微物镜2、铌酸锂微腔3与分束器5依次设置在窄线宽连续激光源1的出射光路中，可调衰减器8与第二中红外光电探测器9依次设置在分束器5的透射光路中，待测样品6与第一中红外光电探测器7依次设置在分束器5的反射光路中，示波器10的两个输入端分别与第一中红外光电探测器7及第二中红外光电探测器9的输出端连接。在其他实施例中，可调衰减器8与第二中红外光电探测器9可依次设置在分束器5的反射光路中，待测样品6与第一中红外光电探测器7可依次设置在分束器5的透射光路中。

铌酸锂微腔3由单芯片集成的公共波导与环形腔波导组成；其中公共波导输入端用于接收泵浦激光，输出端用于将产生的光频梳耦合至腔外，环形腔波导用于经电光调制和四波混频过程产生光频梳；环形腔波导的内、外两侧需分别进行N型掺杂和P型掺杂并与各自的电极相连接；显微物镜2的输出端与铌酸锂微腔3的公共波导输入端连接，分束器5的输入端与铌酸锂微腔3的公共波导输出端连接。射频信号发生器4中的两个信号输出端口均与铌酸锂微腔3环形腔波导外侧(或内侧)的电极相连接；铌酸锂微腔3环形腔波导内侧(或外侧)的电极接地。

具体可通过下述过程实现中红外双光梳光谱测量：

1】、调节窄线宽连续激光源1和显微物镜2，使得出射激光的功率满足铌酸锂微腔3内发生电光调制与四波混频过程的阈值条件，而且激光的模场面积压缩至最小然后注入至铌酸锂微腔3中；

2】、首先断开射频信号发生器4与铌酸锂微腔3的连接电路，将射频信号发生器4其中一个通道的中心频率设置为等于铌酸锂微腔3的本征谐振频率，而另一个通道设置为接近但不等于铌酸锂微腔3的本征谐振频率(两者之间的差值一般为几kHz至几十MHz之间)；然后连通射频信号发生器4与铌酸锂微腔3的连接电路，对铌酸锂微腔3进行双频调制。

3】、铌酸锂微腔3在双频调制条件下，通过电光调制及四波混频效应，自动同时产生两套重复频率稍有差异的宽带中红外光频梳，并被分束器5均分为一路测试光和一路参考光；

4】、测试光入射至待测样品6中进行吸收测试，获得吸收光谱信息然后经第一中红外光电探测器7进行光电转换；参考光入射至可调光衰减器8中，对其进行调节使得参考光与测试光两路双光梳之间的强度相等，获得参考光谱信息然后经第二中红外光电探测器9进行光电转换；

5】、示波器10的两个通道分别接收第一中红外光电探测器7和第二中红外光电探测器9的实时信号，对测试结果进行傅里叶变换与数据处理后，获得待测样品的吸收光谱。

本发明工作原理是：

首先将窄线宽连续激光源1功率调节至满足电光调制与四波混频的阈值条件，再经显微物镜2模场面积压缩后作为铌酸锂微腔3的泵浦光；然后调节射频信号发生器4使其两个通道分别输出两种中心频率稍有差异的射频信号，对铌酸锂微腔3进行双频调制；铌酸锂微腔3通过电光调制及四波混频效应，自动同时产生两套重复频率稍有差异的宽带中红外光频梳，并被分束器5均分为两路；其中一路作为测试光入射至待测样品6中进行测试获得吸收光谱信息，然后经第一中红外光电探测器7进行光电转换；另外一路作为参考光入射至可调光衰减器8中并通过调节均衡两路光的强度差值，获得参考光谱信息然后经第二中红外光电探测器9进行光电转换；利用示波器10同时接收来自第一中红外光电探测器7和第二中红外光电探测器9的实时信号，通过对测试结果进行傅里叶变换与数据处理，即可获得待测样品的吸收光谱。

参见图3产生的中红外双梳光谱结果及图4测试双梳的示波器时域直接测量结果。由图3可知，基于电光调制和三阶非线性效应可产生光谱范围覆盖3130-3830nm的宽带中红外双光梳，重复频率为40GHz，带宽>700nm。图4所示为重频差(即f-f′)20MHz的双光梳时域直接测量结果，对应的单次测量时间仅为50ns、一万次相干平均所需时间为0.5ms。图5为待测气体

本发明采用对兼具强二阶和三阶非线性效应的铌酸锂微腔进行双频调制的方法，实现单个微腔内同时产生中红外双光梳并以此构建光谱测量装置，节省了一整套光梳产生系统并而无需额外的同步驱动和相位锁定装置，结构更紧凑、成本更低廉、稳定性更强。同时，通过发扬铌酸锂微腔超强光场局限、色散灵活可控和宽带低线性损耗的优势，产生的中红外双光梳同时具备光谱范围宽和阈值功率低的特点，光谱带宽>700nm，阈值功率<90mW。利用高集成微腔产生的超高重频光梳作为测试载体，可突破传统方法瓶颈限制，实现超高分辨、超快速度的中红外双梳光谱测量，光谱线宽分辨率优于10kHz、多次相干平均测量时间<0.5ms，分别比传统FTIR方法提升了3-4和4-5数量级。而且双光梳之间的重频差值可由双频调制信号进行灵活控制，控制精度高、调谐范围大，因此适用范围十分广泛。