科學(xué) NIR-II / SWIR 相機(jī)實(shí)現(xiàn)飛秒 頻率梳游標(biāo)光譜

介紹

頻率梳是由一系列離散的、等間隔的元素組成的頻譜。用于生成頻率梳的最流行的機(jī)制是通過鎖模激光器穩(wěn)定脈沖串。2005 年，約翰·L·霍爾 (John L. Hall) 和西奧多·W·漢施 (Theodor W. H?nsch) 因其在這一重要領(lǐng)域的貢獻(xiàn)而分享了一半的諾貝爾物理學(xué)獎。最近開發(fā)的基于飛秒頻率梳的技術(shù)(見圖 1)可用于各種先進(jìn)測量應(yīng)用，包括高精度光譜、原子鐘、化學(xué)傳感器、超級激光器、長距離通信和激光雷達(dá)。

圖 1. 典型頻率梳的時域和頻域。發(fā)表于 J. Hecht，“頻率梳走向大眾”，Laser Focus World，48, 1, 103–108(2012 年 1 月)。

德克薩斯農(nóng)工大學(xué)的研究人員在Hans A. Schuessler 教授的帶領(lǐng)下，最近采用普林斯頓儀器公司的科學(xué) InGaAs 相機(jī)，通過簡單的實(shí)驗(yàn)裝置在近紅外區(qū)域進(jìn)行飛秒頻率梳游標(biāo)光譜分析1。他們的創(chuàng)新工作在指紋近紅外區(qū)域感測溫室氣體方面具有廣泛的應(yīng)用，是本應(yīng)用說明的重點(diǎn)。

基本飛秒頻率梳提供規(guī)則的梳狀結(jié)構(gòu)，由數(shù)百萬個可同時訪問的窄線寬激光模式2組成。在過去的十年中，許多方法已將這種寬光譜帶寬和高分辨率的梳狀結(jié)構(gòu)用于從極紫外到太赫茲區(qū)域的光譜。

頻率梳游標(biāo)光譜的原理于 2007 年由 C. Gohle 等人首次提出。3并簡要概述如下1。故意調(diào)整腔長 L 以使腔自由光譜范圍 ( FSR=c/(2nL) )與頻率梳的重復(fù)率f r不匹配，從而只有每個第 m個梳模與每個(m- 1)腔體的第階模態(tài)，原始頻率梳的模態(tài)與腔體的諧振頻率類似游標(biāo)，其比率為FSR/ fr =m/(m-1)。

圖2顯示了FSR/ fr =10/9的情況。如果腔體的精度足夠高，其他非諧振梳狀模式將被強(qiáng)烈抑制，從而為原始梳狀結(jié)構(gòu)提供有效的光譜濾波器。經(jīng)腔體濾波的頻率梳的模間距為mf r，因此對于較大的數(shù)m，可以使用簡單的基于光柵的攝譜儀1來解析。

圖2 游標(biāo)比FSR/fr=10/9的頻率梳游標(biāo)光譜方案。紅色虛線為頻率梳模式;黑色實(shí)線是腔諧振模式。大紅點(diǎn)標(biāo)記傳輸?shù)氖釥钅Ｊ?。圖表由德克薩斯 A&M 大學(xué) Hans A. Schuessler 教授提供。發(fā)表于 F. Zhu 等人，“用于寬帶痕量氣體檢測的近紅外頻率梳游標(biāo)光譜儀”，Optics Express 22(19) 23026–23033 (2014)。

實(shí)驗(yàn)裝置

德克薩斯 A&M 實(shí)驗(yàn)裝置如圖 3 所示。飛秒鉺光纖激光器用作頻率梳源，并采用普林斯頓儀器NIRvana:640科學(xué) InGaAs 相機(jī)進(jìn)行檢測。在模式匹配透鏡之后，頻率梳被耦合到由平面鏡和 2 m 半徑凹面鏡組成的掃描高精度法布里-珀羅腔中。300 mm 焦距Czerny-Turner 光譜儀采用 50 mm x 50 mm、300 槽/mm 鍍金光柵。由振鏡驅(qū)動的傾斜鏡與掃描腔同步，用于將不同組的濾波梳映射到 InGaAs 相機(jī)傳感器1的一個空間維度上。

圖 3. 實(shí)驗(yàn)裝置包括 NIR 頻率梳源、反射鏡和模式匹配透鏡、高精度掃描腔、Czerny-Turner 光譜儀、振鏡驅(qū)動的傾斜鏡以及科學(xué) InGaAs 相機(jī)。插圖：飛秒鉺光纖激光器的 (a) 光譜和 (b) 干涉自相關(guān)跡線。1 圖表和數(shù)據(jù)由德克薩斯 A&M 大學(xué) Hans A. Schuessler 教授提供。發(fā)表于 F. Zhu 等人，“用于寬帶痕量氣體檢測的近紅外頻率梳游標(biāo)光譜儀”，Optics Express 22(19) 23026–23033 (2014)。

NIRvana:640 具有二維 640 x 512 InGaAs 焦平面陣列 (FPA)，像素尺寸為 20 μm x 20 μm。相機(jī)的曝光時間與 PZT 掃描和振鏡傾斜同步，記錄一張單掃描圖像。為了降低暗電流引起的系統(tǒng)噪聲，F(xiàn)PA 被熱電冷卻至 -80°C。選擇乙炔作為樣品，因?yàn)樗哂?1510 nm 至 1550 nm 之間的吸收帶，該吸收帶位于 InGaAs 相機(jī)1的靈敏度范圍內(nèi)。

結(jié)果與討論

首先在室溫和大氣壓下向腔體中填充 5 ppmv乙炔和空氣的混合物以拍攝樣品圖像。然后使用壓縮空氣吹掃腔體，使研究人員能夠在相同條件下獲取參考圖像。掃描時間為 500 毫秒的圖像顯示出良好的強(qiáng)度對比度。通過調(diào)節(jié)腔體長度L，可以改變游標(biāo)比。

對于500/499的游標(biāo)比，濾波后的梳齒間距為125GHz，該條件下的分辨率為1.1GHz，對應(yīng)于大約5個梳齒模式。對于250/249的游標(biāo)比，分辨率為550 MHz，對應(yīng)于大約2到3個梳狀模式。

圖 4 顯示了從圖像中檢索到的吸收光譜。提供具有更大光柵和更好匹配 FPA 像素尺寸的光斑尺寸的更高分辨率光譜儀，隨著相機(jī)的未來發(fā)展，似乎有可能解決幾百 MHz 間距的單頻梳模式。

圖 4. 從游標(biāo)比為 500/499 和 250/249 的圖像中檢索到的乙炔吸收光譜(黑色)，并與室溫和大氣壓下 5 ppmv 乙炔的 HITRAN 模擬進(jìn)行比較(紅色，為了清晰起見，倒置了)：(a) 1510 至 1550 nm 的寬廣范圍，(b) 游標(biāo)比 500/499 的擴(kuò)展視野從 1520 至 1530 nm;(c) 在 1510 至 1550 nm 的寬范圍內(nèi)，游標(biāo)比為 250/249(請注意，由于解析頻率元素的功率降低，這種情況下的信噪比低于500/499 游標(biāo)比)。1 數(shù)據(jù)由德克薩斯 A&M 大學(xué) Hans A. Schuessler 教授提供。P 發(fā)表于 F. Zhu 等人，“用于寬帶痕量氣體檢測的近紅外頻率梳游標(biāo)光譜儀”，Optics Express 22(19) 23026–23033 (2014)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)

Princeton Instruments 的 NIRvana ?系列InGaAs相機(jī)(參見圖 5)通過多種科學(xué)性能特點(diǎn)與其他 InGaAs 相機(jī)區(qū)分開來，包括深度冷卻、低暗噪聲、高線性度、低讀取噪聲、高幀速率、智能軟件，以及對積分時間的精確控制。

還應(yīng)該指出的是，雖然 Texas A&M 實(shí)驗(yàn)裝置采用了自制光譜儀，但即用型、最先進(jìn)的 Princeton Instruments IsoPlane ? SCT-320 光譜儀特別適合執(zhí)行前沿技術(shù)應(yīng)用，例如近紅外范圍內(nèi)的飛秒頻率梳游標(biāo)光譜。IsoPlane SCT-320 的設(shè)計消除了場像散并大大減少了彗形像差，從而在 27 x 8 mm 焦平面上實(shí)現(xiàn)清晰、詳細(xì)的成像。

NIRvana InGaAs 相機(jī)除了用作 Texas A&M 實(shí)驗(yàn)裝置的一部分外，還用于許多其他NIR-II / SWIR 應(yīng)用，包括半導(dǎo)體故障分析、太陽能電池檢查、無損檢測、天文學(xué)、小動物成像，和單線態(tài)氧檢測4-7。

審核編輯 黃宇