[发明专利]基于多光梳系统测量气体红外多维光谱的装置及工作方法

说明书

本发明公开了一种基于多光梳系统测量气体红外多维光谱的装置及工作方法，多光学频率梳系统包括激光器模块、时频域精密控制模块、功率调节模块、气体测量模块以及数据采集和处理模块，激光器模块产生超快锁模激光脉冲，时频域精密控制模块对激光脉冲的重复频率进行锁定，功率调节模块提高激光脉冲的输出功率，气体测量模块对待测气体进行拍频测量，经气体测量模块中的光电二极管探测获得射频信号，射频信号包括气体的相位信息，数据采集和测量模块采集射频信号进行数据处理以还原气体的多维红外光谱。本发明的优点是：该装置噪声低，分辨率高，可对光学频率梳系统的重复频率进行精确的锁定，可实现对气体分子动态变化的测量，输出包含气体分子动态信息的多维红外光谱。

技术领域

本发明属于超快光学技术领域，具体涉及一种基于多光梳系统测量气体红外多维光谱的装置及工作方法。

背景技术

光学频率梳技术是本世纪具有里程碑式的成就之一，光学频率梳，在频域上表现为一系列等间隔的频率梳齿，其中每根梳齿相应于激光器输出光谱中的一个纵模，激光器的重复频率则决定了各个纵模之间的间隔，锁定后光学频率梳的每根梳齿相当于一台稳定的连续光激光器。所谓飞秒光学频率梳，是指通过锁定飞秒锁模脉冲激光的重复频率以及载波包络相位偏置频率，得到在时域上重复频率稳定的飞秒脉冲激光。光学频率梳，作为一种有别于传统测量方法的新型测量技术，实现了光学频率与微波频率的直接连接，在精密光谱学研究、基本物理常数测量、光学频率计量、光学原子钟等前沿科学领域具有重要意义。

基于光学频率梳技术产生的双光学频率梳测量技术，相较于传统傅里叶变换测量技术，具有测量速度快，无需额外的机械扫描，同时具有宽波段以及分辨率高等优势，测量时能极大缩减测量所需时间，提高光谱分辨能力，在气体测量，2D成像以及高精度测距实验中都有着重要的应用。双光学频率梳测量技术的发展促进了物理、化学、生物以及军事技术的发展。双光学频率梳测量技术将两台光学频率梳作为传统傅里叶变化技术中的参考臂和扫描臂，利用两台光学频率梳之间微小的重复频率差，实现两台光学频率梳在光学时间上的快速扫描，有效替代了传统傅里叶光谱技术中的机械扫描。同时光学扫描的速度快，精度高，且可通过调节重复频率差控制扫描精度。

然而随着光学频率梳光谱技术的发展，双光学频率梳光谱技术也遇到了技术瓶颈，在分子气体测量过程中，双光学频率梳光谱测量技术只能实现对气体分子吸收强度的测量，无法分析分子内部的快速变化。本发明中提出的三光学频率梳红外气体测量系统，克服了传统双光学频率梳技术的局限，以超快激光光谱技术为基础，使用两束相位相关的超快激光顺序激发气体分子产生四波混频信号，通过双光学频率梳测量技术，使用另一与之相位相关的光学频率梳进行拍频测量，反演光快光场与物质微观结构直接的超快动力学过程，实现微观尺度的超快时间分辨和频率分辨测量的融合。

目前传统的气体红外多维光谱技术主要利用机械扫描控制光学频率梳作用于气体分子的时间，两束光作用于气体分子的时间，利用机械延时，控制产生的四波混频信号与另一与之相干的超快激光的作用时间，从而反演出超快激光与气体分子作用的超快动力学过程。传统的红外气体多维光谱技术受限于机械延时以及三路超快脉冲之间的相位控制，其稳定性和扫描精度难以满足更高精度实验要求，且整个测量系统繁杂庞大，运行操作复杂，系统维护不易，且易受环境影响。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种基于多光梳系统测量气体红外多维光谱的装置及工作方法，该装置利用光学频率梳技术，实现在频域上两个光学频率梳信号的拍频，同时通过锁相环技术，对多台重复频率略有差异的光学频率梳的重复频率进行精确锁定，最后通过光纤放大器放大，提高光学频率梳的功率，使其能够直接应用于对气体分子多维红外光谱的测量。

本发明目的实现由以下技术方案完成：