[发明专利]一种基于光学频率梳的光谱测量方法

说明书

技术领域

本发明属于超快激光科学与技术领域，具体涉及一种基于光学频率梳的光谱测量方法。

背景技术

光谱分析的基本原理是在激光的作用下，每一种原子都会吸收或发射自身的特征谱线，因此可以根据该光谱来鉴别物质及确定它的化学组成。光谱测量技术是将激光这一抽象的物理量运用于生产生活中的重要体现，其广泛应用于爆炸物品检测、生物样品分析、金属物体探测等多个领域中。目前发展较为成熟的光谱测量方法是基于迈克尔逊干涉仪原理，将输入的激光分为两束，其中一束到达以一恒定速度作直线运动的动镜，另一束到达定镜；两束光分别经定镜和动镜反射后产生光程差，形成的干涉光通过待测样品，再通过探测含有样品信息的干涉光信号并对其进行傅里叶变换，获取相应的光谱信息。如市面常见的傅里叶变换红外光谱仪（Fourier Transform Infrared Spectrometer，简写为FTIR Spectrometer）即遵循此工作原理。但是，该方法不可避免地需要机械部件的移动来完成光谱测量，并需配合对样品的多次扫描以达到较高测量精度，这无疑为整个测量过程的稳定性与测量速率带来不利影响。

另一方面，近年来新兴的光学频率梳技术由于具有可以提供时域与频域高度稳定的超短脉冲激光的优势，已经被成功运用于光谱测量中。飞秒光学频率梳用于精密光谱测量主要有两大类方法，一类是利用光学频率梳作为频率标尺标定连续激光器并将其用于光谱测量，另一类则是将光学频率梳直接用于光谱测量，即利用两台重复频率略有差别的光学频率梳组成的双光梳系统，其中第一台光梳的输出光经过样品池后与第二台光梳的输出光一同入射至探测器，将得到的两台光梳的干涉信号进行傅里叶分析，即通过测量一台光梳通过样品后的幅值和相位信息获取待测样品的光谱信息。双光梳光谱测量方法具有测量速度快，光谱分辨率、信噪比高的明显优势，但是在实际测量过程中，两台光学频率梳的搭建与精密控制方法繁琐、操作复杂，整个系统的维护难度大，且造价昂贵。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种基于光学频率梳的光谱测量及方法，该测量方法利用一台时域和频域可控的光学频率梳实现双光梳光谱探测。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种基于光学频率梳的光谱测量方法，涉及待测样品，其特征在于所述测量方法至少包括如下步骤：采用一台时域和频域可控的光学频率梳Ⅰ，将其输出的一部分光信号调制一个由相位调制器组成的环形激光谐振腔，使所述环形激光谐振腔成为重复频率稳定的光学频率梳Ⅱ。

分别将所述光学频率梳Ⅰ、Ⅱ的输出激光进行分束；将所述光学频率梳Ⅰ和Ⅱ的一部分输出激光分别与连续稳频激光做拍频，得到携带有所述光学频率梳Ⅰ的载波包络相位漂移频率信息的差频信号f_error；所述光学频率梳Ⅰ的另一部分输出激光作为探测光进入样品池测量所述待测样品后再进入探测模块，同时所述光学频率梳Ⅱ的另一部分输出激光作为参考光直接进入所述探测模块，所述探测模块输出两者的干涉信号f′；将所述差频信号f_error与所述干涉信号f′做混频，以将所述干涉信号f′中由所述光学频率梳Ⅱ产生的频率不稳定度抵消掉，得到光谱信号f_signal，再将所述光谱信号f_signal进行傅里叶变换分析，还原所述待测样品的光学特性。

所述光学频率梳Ⅱ，即所述环形激光谐振腔由激光泵浦源、相位调制器、增益光纤、波分复用器以及耦合输出器构成，其中所述相位调制器、增益光纤、波分复用器以及耦合输出器依次首尾连接构成环路,所述激光泵浦源与所述波分复用器连接；在所述光学频率梳Ⅱ与所述光学频率梳Ⅰ之间设置有分束器、光电探测器、分频器以及和频元器件，所述和频元器件与所述相位调制器连接。