[发明专利]具有频率梳光源的傅里叶变换光谱仪

说明书

相关申请的引用

本申请要求2008年7月25日提交的序号为61/083620的美国临时申请的优先权，在此通过引用将上述申请的全部内容并入本公开。

技术领域

本发明涉及光学光谱测定(spectrometry)领域。其旨在提供一种傅里叶光谱仪和一种使用这种傅里叶光谱仪来测量样本的光谱的方法。

背景技术

更具体地来讲，本发明旨在提供一种傅里叶光谱仪，该傅里叶光谱仪包括：

-相干光源；

-干涉仪，其被设置为通过振幅或波前分离将所述相干光源分为两部分，以在这两部分之间产生干涉；

-检测装置，其被设置为检测所述干涉。

这样的傅里叶光谱仪例如在“Femtosecond laser Fourier Transform absorption spectroscopy”，Mandon et al.OPTICS LETTERS，June 15，2007 Vol.32，No.12 p.1677-1679中有所描述。在该文献中，相干光源是Cr⁴⁺:YAG飞秒锁模激光器。

然而，在上述文献中，使用Cr⁴⁺:YAG飞秒锁模激光器作为光源存在一些缺陷。锁模激光器的重复率(repetition rate)不是恒定的，并且锁模激光器的脉冲之间的相移是不稳定的。结果，锁模的光谱没有表现出由尖锐和等距的频率标记所形成的梳状结构。因为缺少这种梳状结构，所以必须知道一些参考种类样本的光谱，以便对光谱仪进行校准。此外，只能在锁模激光器的频率与由于多普勒效应而偏移了的同一频率之间测量干涉。因此，光谱仪的噪声级受限于由干涉仪产生的、通常是在音频域中的条纹扫描率，并且受限于锁模激光器的振幅噪声。此外，这样的光谱仪不能同时提供样本所经历的吸收和色散。

本发明的目的是提供一种能够克服已知技术的上述局限的改进型傅里叶光谱仪。

本发明基于主要用在计量学环境下的频率梳发生器能提供令人满意的稳定脉冲的思想，从而克服上面列举的缺陷。

根据第一方面，本发明涉及一种傅里叶变换光谱仪，该傅里叶变换光谱仪包括：

-相干光源；

-干涉仪，其被设置为将所述相干光源分成两部分或更多部分，以通过频率或相位诱导效应在这两部分或更多部分之间产生干涉；

-检测装置，其被设置为检测所述干涉，

其中，所述相干光源包括具有频率重复率的频率梳发生器，并且在本发明的特定实施方式中，所述检测装置可被设置为检测由所述频率重复率或所述频率重复率的倍数分离的所述频率梳的频率对的差拍(beating)。

在现有技术中，根据特定频率与通过干涉仪的移动臂产生的多普勒效应或相移效应而移频得到的该频率的差拍来进行检测。对于本发明来说有利的是，使用频率梳的重复率的稳定性，根据由频率重复率或频率重复率的倍数(即，频率重复率的N倍，其中N≥1)分离的频率对来进行检测。

利用这种新型的检测，干涉图样的噪声级至少降低了1000。

干涉仪优选为基于将进入源分为两个光束的振幅或波前分离的干涉仪。例如，可以是迈克尔逊(Michelson)干涉仪，其最简单的光学配置包括：固定镜、动镜以及被设置为将相干光源分为两部分的分离装置，第一部分被设置为在固定镜上反射，而第二部分被设置为在动镜上反射。所有常规的干涉图样记录过程(一个或多个动镜或没有动镜、一个或多个固定镜或没有固定镜、产生干涉图样的光程差线性变化或没有变化)都是可用的。

附图说明

将参照附图来详细阐述本发明的优选实施方式，附图中：

图1例示了具有单色源和迈克尔逊干涉仪的傅里叶变换光谱仪中的降频；

图2例示了对于用频率梳作为源的迈克尔逊干涉仪的动镜效果；

图3例示了根据本发明的光谱仪的第一实施方式；

图4例示了对于用频率梳作为源的迈克尔逊干涉仪的动镜效果以及以梳重复率所决定的速率进行同步检测的可能性；

图5例示了根据本发明的光谱仪的第二实施方式；

图6示出了利用根据本发明的光谱仪获得的吸收光谱；

图7是根据本发明的实验和计算的吸收和色散光谱之间的比较；

图8和图9例示了本发明对于速度调制的方面；

图10和图11例示了本发明对于塞曼光谱术的方面；

图12和图13例示了本发明对于偏振调制的方面。

具体实施方式