雙光梳光譜技術（DCS）技術研究進展

　　安徽光機所毛慶和研究員課題組在2018年第4期發表了“雙光梳光譜技術研究進展"一文，該文章從OFC出發，以異步光學取樣原理與噪聲特性為主線，對DCS的測量原理、實現方案、性能指標、應用技術與儀器化以及未來可能的發展趨勢進行綜合述評與預測。

　　雙光梳光譜技術(DCS)是基于光學頻率梳發展出的新型主動光譜探測技術，具有集高分辨率、高靈敏度、寬光譜覆蓋與快速采集于一身的優點，備受人們青睞。近年來，DCS技術發展迅速，新原理、新方法、新技術和新應用相繼涌現，展現出了廣闊的應用前景。

　　DCS光學頻率梳(OFC)在時域為等間距的超短激光脈沖序列，頻域為等間隔腔模構成的梳齒線，相鄰梳齒之間的間隔(一般處于射頻波段)精確等于脈沖序列重復頻率。OFC的發明如同在頻域內找到了一把標尺，使光學頻率與微波頻率標準相關聯，從根本上解決了光頻直接計量問題，J. L. Hall和T. W. Hansch也因發明光梳而獲得了2005年諾貝爾物理學獎。

　　DCS以OFC作為光源，OFC為理想的鎖模激光器，時域上是周期性脈沖序列，頻域上是穩定等間隔梳狀結構。但是，受環境等噪聲影響，鎖模激光器會偏離理想運行狀態，導致輸出脈沖到達時間產生抖動，載波相位出現漲落，表現為在重復頻率和載波包絡偏移頻率上疊加了噪聲，使得梳齒頻率發生隨機變化。根據鎖模激光器理論，可分別通過反饋調節激光器腔長和泵浦電流，實現對和兩個自由度的正交控制。這樣，通過反饋控制，將和同時鎖定至頻率標準，則可穩定任意梳齒的頻率，即構成了光梳。

　　實現方案

　　在DCS中，對兩臺OFC相干性和穩定性要求高，任何微小脈沖定時抖動(重復頻率噪聲)和載波相位波動(偏移頻率噪聲)，均會導致干涉圖失真，這將不允許通過對干涉圖相干平均來提高SNR。經十多年的努力，特別是美國科羅拉多大學和美國國家標準計量局(NIST)、德國馬普研究所以及加拿大的Laval大學等研究團隊許多重要貢獻，分別發展出了不同的DCS實現方案。

　　相干DCS

　　采用光頻鎖定的光梳，提高每臺光梳的絕對相干性，來確保兩臺光梳之間的互相干性。

　　NIST的Newbury等人采用該方案，有效消除了干涉圖失真，允許對干涉圖進行數十分鐘的相干平均，分辨率可達理論值100 MHz，實現了單根梳齒線的分辨，測得光譜SNR也高達35 dB。他們已將這種相干DCS裝置用于km級開放光程多組分路徑平均溫室氣體(CO2、CH4、H2O等)濃度的在線測量，測得的H2O、CO2和CH4濃度精度分別優于22 ppm、1 ppm和3 ppb。該技術現正朝著更寬帶寬、更高功率以及運動平臺裝置方向發展。

(a) 相干DCS的結構示意圖;(b) 測量的HCN相位和透過光譜;(c) 對圖(b)中195 THz附近的局部放大圖，其中相位和透過譜的實測值(綠色和黑色實線)與由吸收譜數據經Kramers–Kronig關系計算結果(藍色點線，偏置0.1 rad)相吻合

　　自適應DCS

　　2008年，加拿大Laval大學Giaccari等人提出了一種利用光纖光柵實時跟蹤記錄光梳定時抖動與相位波動，再在后續數據采集與處理中消除的方案，該方案也能有效地消除干涉圖失真，允許通過相干平均來提高檢測SNR。

　　2012年，Giaccari團隊改進了以上方案，利用連續波激光器作為中間振蕩器來提取定時抖動與相位波動信號，并利用FPGA平臺實現了對C2H2長達24小時的干涉圖實時校正和相干平均，獲得了高達55 dB的SNR。

　　2014年，諾貝爾獎獲得者H?nsch團隊使用常規電子器件大幅降低了該類DCS系統對數據處理和存儲軟硬件的要求，實現了梳齒分辨的光譜分辨率。近期，David Burghoff等人提出采用卡爾曼數字濾波器直接對采集的干涉圖進行校正，無需額外的參考信號提取裝置。該技術只需采用自由運轉的激光器和常規電子器件，更加有利于儀器化和實用化。

　　圖 (a) 基于FBG跟蹤記錄誤差信號的自適應DCS方案;(b) 自適應DCS的測量結果.

　　單光梳DCS

　　除了上述兩種方案外，若兩串脈沖序列由同一臺OFC(或飛秒激光器)產生，則它們將具有天然互相干性，由此構建的DCS不僅可避免干涉圖失真、實現相干平均，而且因只需一臺激光器還具有結構簡單、低成本等優點，該方案是當前的研究熱點之一，并已成功進行了實驗演示。

　　圖8基于腔調諧與延時復用技術的單光梳DCS方案的結構示意圖(a)和測量原理(b).

　　發展趨勢

　　迄今所有DCS方案的演示應用實驗均表明，DCS技術是一種集高分辨率、高靈敏度、寬光譜覆蓋及實時測量等指標于一身的新型光譜分析技術。盡管DCS技術的光譜測量性能指標已達到了很高水平，但未來依然具有很大發展空間。就光譜分辨率而言，通過解決切趾、光梳互相干性等問題，DCS光譜分辨率從早期的數十GHz提高至光梳重復率(~100 MHz)。

　　參考文獻： 中國光學期刊網

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