大数跨境
首页
>
Light | ​宽带1-GHz中红外频率梳
>

Light | ​宽带1-GHz中红外频率梳

Light | ​宽带1-GHz中红外频率梳 两江科技评论
2022-09-12
2
导读：美国科罗拉多大学博尔德分校精密激光诊断实验室

撰稿 | 赵一心

导读
近日，美国科罗拉多大学博尔德分校精密激光诊断实验室的Nazanin Hoghooghi等人介绍了第一个1 GHz重复率的宽带中红外频率梳激光器平台，实现了从3-13微米的光谱覆盖。该频率梳基于一个商业化的锁模激光器、强大的全光纤铒放大器和脉冲内差频发生器。当用于双梳状光谱学配置时，将同时实现微秒时间分辨率、1 GHz光谱点间距和大于5 THz的全带宽。这代表了一种独特的光谱资源，用于描述其他来源目前无法获得的快速和非重复的事件。

背景介绍
相干的中红外（3-25微米）光源对各种科学领域的发展至关重要，对于光谱传感和成像来说尤其如此。这种光源可以进入分子“指纹”区域（6.7-20微米），实现化学特异性，同时也提高了最低检测灵敏度限制。使用连续波中红外激光器的光谱学和成像系统已经显示出前所未有的灵敏度。宽带中红外光频梳可以进一步提高光谱和成像系统的性能，它具有三个重要特点：高亮度、全瞬时光谱覆盖和高光谱分辨率。当与快速、宽带和高分辨率的检测方案相结合时，如双梳光谱学（DCS），中红外频率梳光谱仪有可能以兆赫兹速率恢复全光谱指纹信息。

现有的大多数宽带中红外频率梳是通过近红外（NIR）频率梳的非线性下变频产生的，或者通过参数振荡或差分频率生成（DFG）技术。这些光源通常有50-200 MHz的梳齿间隔，这是由驱动非线性过程的基本近红外频率梳的重复率决定的。这种近红外频率梳已被用于DCS配置、大气传感、痕量气体检测等，其中所研究事件的时间尺度为秒级。然而，广泛的科学研究，如燃烧和生物反应，将受益于提高速度的近红外DCS系统，同时保持宽光谱覆盖和高光谱分辨率。

由于DCS的测量速度与重复率的平方成正比，通过将宽带近红外频率梳从兆赫兹范围扩展到千兆赫兹，可以取得显著的收益。特别是，重复率约为1 GHz的频率梳在速度和光谱分辨率之间取得了有力的平衡。由电光梳量子级联激光器或微梳产生的基于芯片的多GHz中红外频率梳可以实现亚微秒级的光谱采集。然而，这些光源的光谱覆盖面相对较窄，梳齿间距大于10 GHz，限制了它们在气相光谱学中的应用。

创新研究
为了应对这些挑战，美国科罗拉多大学博尔德分校精密激光诊断实验室的研究人员展示了第一个1-GHz的近红外频率梳，光谱覆盖范围从3-13微米。这一进展的一个关键方面是在高度非线性光纤（HNLF）中使用孤子自压缩来产生以1.56微米为中心的近红外脉冲，平均功率为2.3 W，持续时间短至8.1 fs。在一个简单的单通道几何中，这些超短脉冲驱动非线性晶体中的脉冲内差频发生器（IP-DFG）产生高达6.2 mW的中红外功率。该方法建立在商业化的1.56微米光源和成熟的铒光纤放大器和光纤元件之上，所有这些结合起来为高速分子光谱提供了一个强大的、可重复的、宽频带的中红外频率梳平台。

在本文的方法中，有四个用来产生1 GHz宽频带近红外梳的主要步骤：（1）1.56微米的1 GHz锁模激光器；（2）在掺铒光纤中进行放大；（3）在HNLF中进行时间压缩和光谱增宽；（4）在非线性晶体中进行IP-DFG。图一显示了实验装置（顶部），以及该过程中每个步骤后的光学光谱的演变（底部）。
图1. 实验装置（顶部）以及该过程中每个步骤后的光学光谱的演变（底部）

利用反常色散高净值中的孤子自压缩，可以直接从光纤中产生1 GHz的亚双周期近红外脉冲，而不需要进一步的重新压缩。测量的脉冲宽度为8.1 fs（图2a），这是直接从全铒光纤放大系统中测得的最短脉冲。
图2. (a)通过孤子自压缩产生的亚两周期近红外脉冲的强度曲线 (b)实验中的FROG (c)重构的FROG

图3a是通过聚焦1.5周期脉冲到扇形周期性极化的铌酸锂（PPLN）晶体产生的MIR光谱。最宽的光谱覆盖3-4.7微米，具有4.5 mW的功率。图3b是带有7个单独的周期性极化光栅的PPLN的MIR光谱，最大功率为6.2 mW，光谱覆盖3-4微米。
图3. MIR光谱

此外，研究人员还发现，ND-HNLF中的光谱增宽更适合将波长覆盖范围扩大到更长的波长。通过锁定重复率和载波包络偏移频率，完全稳定了频率梳。

论文信息

该文章被发表在《Light: Science & Applications》期刊上，题为“Broadband 1-GHz mid-infrared frequency comb”，Nazanin Hoghooghi为本文的第一作者和通讯作者，Scott Diddams为本文的共同通讯作者。


论文地址

https://www.nature.com/articles/s41377-022-00947-w

免责声明：本文旨在传递更多科研资讯及分享，所有其他媒、网来源均注明出处，如涉及版权问题，请作者第一时间后台联系，我们将协调进行处理，所有来稿文责自负，两江仅作分享平台。转载请注明出处，如原创内容转载需授权，请联系下方微信号。

【声明】内容源于网络
0
0
两江科技评论
聚焦“光声力热”超构材料、凝聚态物理、生物医学、智能制造等领域，打造科研人便捷的交流平台，发布优质新鲜的科研资讯。
内容 6001
粉丝 0
两江科技评论 聚焦“光声力热”超构材料、凝聚态物理、生物医学、智能制造等领域，打造科研人便捷的交流平台，发布优质新鲜的科研资讯。
总阅读9.2k
粉丝0
内容6.0k