科学 NIR-II / SWIR 相机实现飞秒 频率梳游标光谱

介绍

频率梳是由一系列离散的、等间隔的元素组成的频谱。用于生成频率梳的最流行的机制是通过锁模激光器稳定脉冲串。2005 年，约翰·L·霍尔 (John L. Hall) 和西奥多·W·汉施 (Theodor W. Hänsch) 因其在这一重要领域的贡献而分享了一半的诺贝尔物理学奖。最近开发的基于飞秒频率梳的技术(见图 1)可用于各种先进测量应用，包括高精度光谱、原子钟、化学传感器、超级激光器、长距离通信和激光雷达。

图 1. 典型频率梳的时域和频域。发表于 J. Hecht，“频率梳走向大众”，Laser Focus World，48, 1, 103–108(2012 年 1 月)。

德克萨斯农工大学的研究人员在Hans A. Schuessler 教授的带领下，最近采用普林斯顿仪器公司的科学 InGaAs 相机，通过简单的实验装置在近红外区域进行飞秒频率梳游标光谱分析1。他们的创新工作在指纹近红外区域感测温室气体方面具有广泛的应用，是本应用说明的重点。

基本飞秒频率梳提供规则的梳状结构，由数百万个可同时访问的窄线宽激光模式2组成。在过去的十年中，许多方法已将这种宽光谱带宽和高分辨率的梳状结构用于从极紫外到太赫兹区域的光谱。

频率梳游标光谱的原理于 2007 年由 C. Gohle 等人首次提出。3并简要概述如下1。故意调整腔长 L 以使腔自由光谱范围 ( FSR=c/(2nL) )与频率梳的重复率f r不匹配，从而只有每个第 m个梳模与每个(m- 1)腔体的第阶模态，原始频率梳的模态与腔体的谐振频率类似游标，其比率为FSR/ fr =m/(m-1)。

图2显示了FSR/ fr =10/9的情况。如果腔体的精度足够高，其他非谐振梳状模式将被强烈抑制，从而为原始梳状结构提供有效的光谱滤波器。经腔体滤波的频率梳的模间距为mf r，因此对于较大的数m，可以使用简单的基于光栅的摄谱仪1来解析。

图2 游标比FSR/fr=10/9的频率梳游标光谱方案。红色虚线为频率梳模式;黑色实线是腔谐振模式。大红点标记传输的梳状模式1。图表由德克萨斯 A&M 大学 Hans A. Schuessler 教授提供。发表于 F. Zhu 等人，“用于宽带痕量气体检测的近红外频率梳游标光谱仪”，Optics Express 22(19) 23026–23033 (2014)。

实验装置

德克萨斯 A&M 实验装置如图 3 所示。飞秒铒光纤激光器用作频率梳源，并采用普林斯顿仪器NIRvana:640科学 InGaAs 相机进行检测。在模式匹配透镜之后，频率梳被耦合到由平面镜和 2 m 半径凹面镜组成的扫描高精度法布里-珀罗腔中。300 mm 焦距Czerny-Turner 光谱仪采用 50 mm x 50 mm、300 槽/mm 镀金光栅。由振镜驱动的倾斜镜与扫描腔同步，用于将不同组的滤波梳映射到 InGaAs 相机传感器1的一个空间维度上。

图 3. 实验装置包括 NIR 频率梳源、反射镜和模式匹配透镜、高精度扫描腔、Czerny-Turner 光谱仪、振镜驱动的倾斜镜以及科学 InGaAs 相机。插图：飞秒铒光纤激光器的 (a) 光谱和 (b) 干涉自相关迹线。1 图表和数据由德克萨斯 A&M 大学 Hans A. Schuessler 教授提供。发表于 F. Zhu 等人，“用于宽带痕量气体检测的近红外频率梳游标光谱仪”，Optics Express 22(19) 23026–23033 (2014)。

NIRvana:640 具有二维 640 x 512 InGaAs 焦平面阵列 (FPA)，像素尺寸为 20 μm x 20 μm。相机的曝光时间与 PZT 扫描和振镜倾斜同步，记录一张单扫描图像。为了降低暗电流引起的系统噪声，FPA 被热电冷却至 -80°C。选择乙炔作为样品，因为它具有 1510 nm 至 1550 nm 之间的吸收带，该吸收带位于 InGaAs 相机1的灵敏度范围内。

结果与讨论

首先在室温和大气压下向腔体中填充 5 ppmv乙炔和空气的混合物以拍摄样品图像。然后使用压缩空气吹扫腔体，使研究人员能够在相同条件下获取参考图像。扫描时间为 500 毫秒的图像显示出良好的强度对比度。通过调节腔体长度L，可以改变游标比。

对于500/499的游标比，滤波后的梳齿间距为125GHz，该条件下的分辨率为1.1GHz，对应于大约5个梳齿模式。对于250/249的游标比，分辨率为550 MHz，对应于大约2到3个梳状模式。

图 4 显示了从图像中检索到的吸收光谱。提供具有更大光栅和更好匹配 FPA 像素尺寸的光斑尺寸的更高分辨率光谱仪，随着相机的未来发展，似乎有可能解决几百 MHz 间距的单频梳模式。

图 4. 从游标比为 500/499 和 250/249 的图像中检索到的乙炔吸收光谱(黑色)，并与室温和大气压下 5 ppmv 乙炔的 HITRAN 模拟进行比较(红色，为了清晰起见，倒置了)：(a) 1510 至 1550 nm 的宽广范围，(b) 游标比 500/499 的扩展视野从 1520 至 1530 nm;(c) 在 1510 至 1550 nm 的宽范围内，游标比为 250/249(请注意，由于解析频率元素的功率降低，这种情况下的信噪比低于500/499 游标比)。1 数据由德克萨斯 A&M 大学 Hans A. Schuessler 教授提供。P 发表于 F. Zhu 等人，“用于宽带痕量气体检测的近红外频率梳游标光谱仪”，Optics Express 22(19) 23026–23033 (2014)。

技术实现

Princeton Instruments 的 NIRvana ®系列InGaAs相机(参见图 5)通过多种科学性能特点与其他 InGaAs 相机区分开来，包括深度冷却、低暗噪声、高线性度、低读取噪声、高帧速率、智能软件，以及对积分时间的精确控制。

还应该指出的是，虽然 Texas A&M 实验装置采用了自制光谱仪，但即用型、最先进的 Princeton Instruments IsoPlane ® SCT-320 光谱仪特别适合执行前沿技术应用，例如近红外范围内的飞秒频率梳游标光谱。IsoPlane SCT-320 的设计消除了场像散并大大减少了彗形像差，从而在 27 x 8 mm 焦平面上实现清晰、详细的成像。

NIRvana InGaAs 相机除了用作 Texas A&M 实验装置的一部分外，还用于许多其他NIR-II / SWIR 应用，包括半导体故障分析、太阳能电池检查、无损检测、天文学、小动物成像，和单线态氧检测4-7。

审核编辑 黄宇