基于近红外（NIR）频率梳的光子计数双梳光谱原理

紫外（UV）光谱提供了对物质结构的独特洞察，其应用范围从基础测试到地球大气中的光化学，以及从太空望远镜进行的天文观测等。在更长的波长下，使用两个干涉激光频率梳的双梳（dual-comb）光谱已成为一种强大的技术，其能够同时提供宽光谱范围和非常高的分辨率。

据麦姆斯咨询报道，近日，德国马克斯·普朗克量子光学研究所（Max-Planck Institute of Quantum Optics）的研究团队在Nature期刊上发表了题为“Near-ultraviolet photon-counting dual-comb spectroscopy”的论文，提出了一种适用于极低光水平（例如短波长频率梳光子学中遇到的情况）的双梳光谱新方法，向极紫外光谱区域的宽光谱带宽的精确光谱迈出了重要一步。通过使用光子计数技术，上述科研团队实现了精确、高分辨率、量子噪声极限的近紫外（NUV）双梳光谱，其运行光子通量比双梳光谱和其它基于频率梳的傅里叶变换光谱技术中常用水平低10⁶倍以上。

该团队展示了近紫外区域的具有解析频率梳线、高分辨率的双梳吸收光谱。在772 THz（388 nm）的中心频率下，该团队实现了500 MHz（分辨能力1.5 × 10⁶）和200 MHz（分辨能力4 × 10⁶）的分辨率。所提出的基于光子计数的创新方法可实现量子噪声极限的信噪比，这在双梳光谱中尤其难以实现。本论文中鲁棒的低光干涉测量方法克服了非线性频率转换效率低下带来的挑战，因此，它为将双梳光谱扩展到更短的波长奠定了坚实的基础。

光子计数双梳光谱原理

基于近红外（NIR）频率梳的非线性频率转换的极低光频率梳发生器的光束穿过吸收样品。它与另一个脉冲重复频率略有不同的极低光频率梳发生器的光束叠加在一个分束器上。光子计数探测器对分束器输出进行计数。每20个频率梳脉冲中的探测器计数少于1个。在比双梳光谱中通常使用的功率水平弱10⁶倍以上的情况下，检测到的计数统计包含了关于样品的光谱信息。

图1 采用光子计数的紫外双梳光谱原理

利用电光频率梳的近紫外光谱

研究人员通过使用近红外电光频率梳的非线性频率转换来说明近紫外双梳光谱的潜力。电光系统在紫外光下的转换效率很低，非常适合测试所提出的光子计数方法。两个重复频率略有不同的频率梳由连续波激光器产生，该激光器由电光调制器以193 THz（1550 nm）的中心频率进行强度和相位调制。声光调制器偏移一个频率梳的中心频率，以在没有混叠的情况下测量双梳的频谱。近红外频率梳依次倍频两次，一次在周期性极化的铌酸锂晶体中，另一次在BiB₃O₆（BIBO）晶体中。大约100线的近紫外频率梳具有可在770 THz和774 THz之间调谐的中心频率，以及可在100  kHz和40 GHz之间自由选择的重复频率。两个低功率紫外频率梳光束在一个分束器上组合。分束器的一端输出由光子计数器检测。

就像在传统的双梳光谱中一样，傅立叶变换揭示了双梳光谱。近紫外光子级双梳实验光谱如图2所示。

图2 具有解析频率梳线的近紫外光子级双梳实验光谱

接下来，研究人员展示了光子计数双梳干涉仪在原子铯（Cs）蒸气中弱6S-8P跃迁吸收光谱方面的潜力。其中一束频率梳光束穿过加热的铯蒸汽池，然后两束频率梳光束在分束器上组合。具有解析频率梳线的光谱分别显示了770.73 THz和773.21 THz处的6S1/2–8P1/2和6S1/2–8P3/2跃迁（图3a和3c）。1 GHz多普勒半峰全宽的6S1/2–8P1/2跃迁的透射率谱和色散谱是由 152 s的累积时间得出的（图3b）。根据振幅光谱归一化吸收基线的标准差的倒数确定的信噪比为210。较强的6S1/2-8P3/2跃迁是在较短的累积时间（64 s）下测量的，信噪比为195（图3d）。

图3 在总平均光功率为90 pW和500 MHz分辨率下，¹³³Cs中弱跃迁的光子计数近紫外振幅和相位谱

在双梳光谱中，降低技术噪声源以达到量子噪声极限并不容易。大多数实验都受到探测器噪声或激光源强度噪声的限制。在设置的实验条件下，研究人员测量了光谱中吸收基线的实验信噪比与计数率（图4a）和累积时间（图4b）的函数关系。

图4 光子计数近紫外双梳光谱中的量子噪声极限信噪比

光纤激光器的可见光谱

真空和极紫外频率梳仅作为近红外飞秒锁模激光器的谐波产生，因此确定此类激光器是否适用于光子计数双梳光谱至关重要。文中的研究表明，即使光纤锁模激光器衰减到每秒仅1000万次计数，吸收样品的振幅和相位光谱信息也可以从光子计数统计中精确获取。

一对倍频掺铒飞秒模锁光纤激光器在384 THz的中心频率产生两个光脉冲列。它们的重复频率为100 MHz，其差值δfrep等于−12.5 kHz。

干涉图的傅立叶变换揭示了具有解析频率梳线的透射光谱（图5）。频谱跨度为0.12 THz，具有1200条远高于噪声水平的频率线（图5a）。⁸⁵Rb和⁸⁷Rb中多普勒展宽的5S1/2–5P3/2跃迁由100 MHz间隔的频率梳线进行采样（图5b）。吸收基线的平均信噪比为67，而计算出的1200频率梳线上的量子噪声极限信噪比是69。相位谱同时被获取。

图5 利用光纤激光器以平均速率为每秒8.4 × 10⁶计数的光子计数可见光双梳实验光谱

综上所述，这项研究在紫外光谱范围内实现了高分辨率线性吸收双梳光谱。实验中使用了两种不同的实验装置和不同类型的频率梳发生器，并且通过实验证实了双梳光谱的全部功能可以扩展到低光的条件下，其功率水平比双梳光谱中常用的功率水平弱一百万倍以上。通过反复实现量子噪声极限的信噪比，该团队实现了实验可用光的最佳利用。所提出的光子级干涉仪精确地再现了光子计数的统计。在极低光水平下利用双梳光谱的前景似乎违反直觉。在这里，这项研究通过实验实现了这一里程碑，它将开启新的应用领域。

审核编辑：黄飞