[发明专利]一种超高分辨率光谱测量方法及系统

说明书

本发明公开了一种基于全光傅里叶变换及双光学频率梳时域干涉的超高分辨率光谱测量方法及系统，方法为两个光学频率梳光源产生两路具有微小重复频率差的超短脉冲序列；一路超短脉冲通过色散作用得到扫频泵浦脉冲序列，并基于四波混频原理构成时域透镜；利用时域透镜的傅里叶变换功能对待测光信号进行波长到时间的转换；所得携带了待测光谱信息的光信号通过波长统一后与另一路超短脉冲进行干涉叠加；所得干涉信号转换为电信号并经过后续处理即可得到待测光信号的光谱。本发明能实现超高的光谱分辨率，适用于测量任意形式的光信号，且有效地降低了系统成本。

技术领域

本发明涉及光谱测量技术领域，特别涉及一种基于全光傅里叶变换及双光学频率梳时域干涉的超高分辨率光谱测量方法及系统。

背景技术

光谱测量在化学分析、生物医学、光纤通信等诸多领域都有着广泛的应用。传统的基于空间色散的光谱分析仪需要利用色散元件的机械旋转或者线阵CCD来采集由于空间色散而分布于不同空间位置的波长信息。由于运动速度的限制，机械旋转的采集方式使得光谱测量的速度相对较慢；而线阵CCD的采集方式虽然可以大大提高测量速度，但往往会使得其测量精度有所下降。因此，传统的光谱分析仪并不适用于一些需要对光谱进行快速且精细测量的应用场合。为满足实际应用的需求，近年来许多新型的光谱测量方法相继被提出，例如大色散实时傅里叶变换(ADFT)、双光梳光谱测量、基于时域透镜波长-时间映射功能的参量光谱分析仪(PASTA)等。ADFT利用大色散光纤将输入光谱信息直接映射到时间上，并通过光探测器和实时示波器在时间轴上进行实时的测量。其结构简单且具有超快的测量特性，但由于输入信号仅限于短脉冲以及长光纤带来的巨大损耗，使得ADFT在实际应用中受到了限制。虽然结合分布式拉曼放大技术可以补偿光纤损耗，但是由于在色散作用下功率是一个发散的过程，因此其测量灵敏度较低。另一方面，随着光频梳技术的发展成熟，光频梳的模式间距以及绝对频率均可通过锁相稳定，因此其在高精度频谱测量领域得到了越来越多的应用，例如近年来受到广泛关注的双光梳光谱测量方法。双光梳光谱测量利用两路存在微小重复频率差的光学频率梳作为光源，其中一路作为探测光与样品作用后与另一路作为参考信号的光梳进行干涉，通过提取干涉信号并做傅里叶变换可以读出探测光梳光谱幅度以及相位的变化。这种光谱测量方法在测量速度、光谱分辨率、以及探测灵敏度等方面都体现出了独特的优势，并且没有色散元件的参与。但是其仅适用于测量样品的吸收光谱，因此实际应用范围具有很大的局限性。PASTA光谱分析系统利用时域透镜实现波长到时间的映射，将输入信号不同的波长分量汇聚到不同的时间位置，并利用光探测器和实时示波器探测输出脉冲从而得到输入的光谱信息。PASTA系统适用于任意波形的输入信号，且由于其波长-时间的映射是一个能量汇聚的过程，其测量灵敏度相比于ADFT得到了很大的提高。在测量速度方面，PASTA的帧速率取决于时域透镜中扫频泵浦脉冲的重复频率，典型的如100MHz；在测量精度方面，PASTA的频谱分辨率首先取决于扫频泵浦的光谱带宽以及泵浦色散大小，但最终由于光探测器以及实时示波器的带宽限制，使得PASTA的分辨率被严重劣化。此外，由于要求大带宽的探测器以及实时示波器，PASTA光谱分析系统的成本较高，其实用性受到了较大的限制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：如何低成本地实现适用于任意形式输入光信号的高精度快速光谱测量。

为解决上述技术问题，本发明首先提出一种基于全光傅里叶变换及双光学频率梳时域干涉的超高分辨率光谱测量方法，包括以下步骤：

A、产生两路具有微小重复频率差的超短脉冲序列，一路作为探测脉冲，另一路作为参考脉冲；

B、探测脉冲序列通过色散Φ₁作用得到携带时间二次相位的泵浦脉冲序列；

C、所得泵浦脉冲与待测光信号通过四波混频作用并滤出所产生的闲频光，实现时域透镜功能；

D、所得闲频光通过色散Φ₂压缩实现波长到时间的映射，得到时域上携带待测光谱信息的光信号；