[发明专利]一种基于光频梳的高分辨率光谱测量系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于光频梳的高分辨率光谱测量系统。

背景技术

高频率分辨率的光谱仪对日新月异的光技术发展极为重要。高频谱分辨能力的光谱测量技术会使多种新兴技术受益，例如气体分子的识别、生物药物识别及新型光器件的性能测试(如集成高Q值微环和微腔)等。在天文学中，宽范围、高频谱分辨能力的光谱测量技术，可测得极低量级(10^-10)的多普勒频移υ_E/c，对类地行星的探测有重要意义。除此之外，在基础物理量的测量领域，譬如监测物理量的时间抖动，需要高至Hz级别分辨率的频谱测量技术，例如氢原子的1S-2S能级跃迁。

目前的商用光谱测量方案为迈克尔逊干涉仪结构，其分辨率受限于两个相干臂之间的最大光程差，因此仪器的体积往往较大，能够达到的最高分辨率大约在0.01nm左右。

2012年，北京大学和宾夕法尼亚州立大学曾提出一种光谱测量系统(Nikhil Mehta,Jingbiao Chen,Zhigang Zhang,and Zhiwen Liu,"Compressive multi-heterodyne optical spectroscopy,"Opt.Express,20,28363-28372(2012)，该方案使用了光频梳进行光谱的外差检测，但方案仅仅是原理仿真，仅能测量非相干光信号。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种基于光频梳的高分辨率光谱测量系统。本发明提出的基于光频梳的外差检测方式，能够适用于非相干和相干光的检测，其检测过程更为可靠，本发明基于单光频梳和光混频器的光谱测量技术原理如图1所示。

本发明利用光混频器将待测信号和光频梳混频，测量系统更加稳定且能够检测非相干和相干光信号，前述方案智能检测非相干信号。

本发明的技术方案为：

一种基于光频梳的高分辨率光谱测量系统，其特征在于，包括激光器、光频梳产生器、射频源、可编程光滤波器、光混频器、两个平衡光电探测器、两个低通滤波器和一数据处理单元；所述激光器的输出端与所述光频梳产生器的输入端连接，用于将产生的激光输入所述光频梳产生器；所述射频源与所述光频梳产生器连接，用于驱动所述光频梳产生器产生一个重复角频率等于射频源角频率ω_m的光频梳；所述可编程光滤波器与所述光频梳产生器的输出端连接，用于对所述光频梳产生器产生的光梳进行滤波实现不同组合的外差检测本振光；所述可编程光滤波器的输出端、待测信号光的输出端分别与所述光混频器的一输入端连接；所述光混频器的两路输出端连接一所述平衡光电探测器，所述光混频器的另两路输出端连接另一所述平衡光电探测器；两所述平衡光电探测器的输出端分别经一所述低通滤波器与所述数据处理单元连接；所述数据处理单元根据收到的信号计算得到待测信号光谱。

进一步的，所述低通滤波器的截止频率ω_LPF小于ω_m。

进一步的，所述激光器产生的激光为单频种子光信号。

进一步的，所述数据处理单元将一路低通滤波器的输出信号乘以虚数j后与另一路低通滤波器的输出信号相加得到策略信号，然后根据该测量信号与测量矩阵得到待测信号光谱。

进一步的，所述光频梳产生器的输出端经一EDFA放大器与所述可编程光滤波器的输入端连接。

进一步的，所述可编程光滤波器的输出端经一偏振控制器与所述光混频器的一输入端连接。

进一步的，所述光频梳产生器产生的光频梳为50根，相邻两根之间的频率间隔25GHz。

与现有技术相比，本发明的积极效果为：

本发明利用光混频器将待测信号和光频梳混频，在测量稳定性上得到了大幅提升，不仅如此，本发明的方案能够测量几乎所有的光谱信号，而原方案只能测量非相干的信号，如ASE信号和稀疏信号。与商用的迈克尔逊干涉仪方案相比，分辨率更高、测量速度更快。

附图说明

图1为本发明的系统原理图；

图2为效果对比图；

(a)北京大学和宾夕法尼亚州立大学曾提出的光谱测量系统的测量矩阵条件数仿真，

(b)本发明所提出的光谱测量系统的测量矩阵条件数仿真；

图3为原始光频梳光谱图；

图4为窄线宽激光器光谱测量结果图；

(a)全频段，(b)局部放大；

图5为相位调制信号光谱测量结果图；

(a)0dBm调制功率全频段，(b)0dBm调制功率局部放大，