一种高集成超高分辨率中红外双光梳光谱测量装置与方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种高集成超高分辨率中红外双光梳光谱测量装置与方法，解决传统中红外光谱测量系统面临的结构复杂以及测量速度与分辨率受限等问题。系统包括泵浦单元，微腔单元，调制单元，分束单元，测试单元，信号探测单元，功率平衡单元，参考探测单元以及频谱分析单元。方法包括：调节泵浦单元出射激光至微腔单元；调节调制单元进行双频调制；微腔单元产生两套重复频率有差异的中红外光频梳，并被分束单元均分为测试光和参考光；测试光经待测样品吸收后经信号探测单元进行光电转换并注入频谱分析单元；参考光经强度调节后经参考探测单元进行光电转换并注入频谱分析单元；频谱分析单元对测试结果进行傅里叶变换与数据处理，获得待测样品吸收光谱。

【技术实现步骤摘要】
一种高集成超高分辨率中红外双光梳光谱测量装置与方法
本专利技术涉及一种中红外双光梳光谱测量装置与方法，尤其涉及一种高集成超高分辨率中红外双光梳光谱测量装置与方法。
技术介绍
光学频率梳(光频梳、光梳)在时域上为等间隔的超短脉冲序列，频域上为整齐分布的一系列极窄谱线，是进行光谱分析的天然精密“刻线”，其独有的宽范围、窄线宽优点尤其适合于分析测量分子的特征吸收光谱“指纹”信息。双光梳光谱仪采用两台重复频率(重频)稍有差异的光频梳作为干涉光源，相比于精密光谱分析常用的傅里叶变换光谱仪(FTIR)，无需任何机械动臂进行扫描，不仅极大提高了测量稳定性，同时可将光谱分辨率提高约4个数量级(FTIR典型值为几十MHz)，达到kHz量级；且单次采样时间缩短4～5个数量级(典型值为数十秒级)，达亚毫秒级。双光梳光谱仪的高分辨率和快速测量两大特性，带来了精密激光光谱领域的革命性进展，成为光谱学研究中最精密、最强有力的工具之一。传统双光梳光谱仪通常采用飞秒锁模激光器或电光调制光频梳等构建，但受体积、重量、功耗、测量速度以及成本等因素严重制约，仍是实验室级别的大型研究设备。近几年随着芯片级微腔制备工艺进步，高品质因子、低模式体积的微腔可将光场强度增强108，其天然具备的小尺寸、低功耗、色散灵活可控及易与其他有源、无源光子器件规模化集成等优势，能显著降低泵浦功率需求、实现宽带光梳高效产生，并且其重频比传统光梳提升2～3个量级，为高分辨率、高集成双光梳光谱技术开辟了新的途径。同时，绝大多数分子的吸收光谱特征峰集中在中红外波段，此波段光谱吸收强度通常比近红外波段高1～2个数量级；因此面向现实应用，亟需突破中红外微腔双光梳技术。然而，由于微腔光梳系统受热效应影响，通常需采用高功率窄线宽光源在微腔谐振频率附近快速扫描以实现稳定频梳产生，而且需精确控制扫频时序，过程较为复杂。尤其是对于中红外微腔双光梳，将面临更严重的扫频光源性能限制，导致频梳产生困难且调谐过程复杂；而且一般需两套独立的光梳装置构建双光梳光谱仪，致使整体系统体积庞大、造价高昂。虽然集成度比传统双光梳光谱仪有所提升，但依然仅能工作于实验室环境，极大限制了其现实应用及未来发展。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种高集成超高分辨率中红外双光梳光谱测量装置与方法，解决传统双光梳光谱测量系统体积大、结构复杂、分辨率及测量速度受限及微腔双光梳测量系统对扫频光源性能的依赖、调谐过程繁琐及结构复杂等问题，实现高集成、超高分辨率、快测量速度、调谐过程简单的中红外双光梳光谱测量系统，为精密光谱分析领域前沿提供关键研究工具并带来系列现实应用，具有重要研究意义与广泛实用价值。实现双光梳光谱仪的关键核心在于高性能光梳系统的构建。基于微腔构建的光梳，比传统的光纤或固体锁模激光器构建的光梳系统具有更小体积、更低功耗与更高重频。相比于硅、二氧化硅、氮化硅、氟化镁、氮化铝等常见微腔材料，铌酸锂同时具备很高的三阶和二阶非线性效应，因此不仅可广泛应用于倍频、差频、四波混频等过程，尤其是二阶非线性效应(电光效应，普克尔效应)使之拥有可快速电光调制的能力，结合其覆盖近红外至中红外波段的优良线性低损耗特性，成为了独具特色与优势的材料。此外，目前常用的微腔频梳产生主要包括基于电光调制的EO频梳和基于四波混频的Kerr频梳；E0频梳的阈值较低但带宽较窄，而Kerr频梳则正好相反。因此，通过发扬铌酸锂兼具三阶非线性与可电光调制能力并将二者有机结合，可有效解决传统方法的不足，并在此基础上实现更先进和更强大的双光梳光谱仪。为了解决上述问题，基于上述分析，本专利技术的技术解决方案是提供一种高集成超高分辨率中红外双梳光谱测量装置，其特殊之处在于：包括泵浦单元、调制单元、微腔单元、分束单元、测试单元、信号探测单元、功率平衡单元、参考探测单元及频谱分析单元；上述泵浦单元用于提供连续泵浦激光；上述调制单元用于提供双频调制信号，对微腔单元进行电光调制；上述微腔单元为同时具备电光效应和四波混频效应的微腔，用于接收连续泵浦激光，并通过电光调制及四波混频过程，同时产生两套重复频率有差异的宽带中红外光频梳；上述分束单元用于将中红外双光梳均分为两路，一路为测试光，另一路为参考光；上述测试单元用于放置待测样品，进行测试；上述信号探测单元用于对经过待测样品吸收后的测试光进行光电转换，提供吸收光谱信息并注入至频谱分析单元；上述功率平衡单元用于均衡测试光与参考光两路双光梳之间的强度差值；上述参考探测单元用于对参考光进行光电转换，提供参考光谱信息并注入至频谱分析单元；上述频谱分析单元用于比对测试双光梳与参考双光梳的拍频信号，获得样品测试光谱信息。进一步地，为了将连续泵浦激光高效耦合至微腔单元中，上述泵浦单元包括依次连接的窄线宽连续激光源和显微物镜；上述窄线宽连续激光源用于出射高功率连续泵浦激光，上述显微物镜用于将泵浦激光模斑压缩后入射到微腔单元。进一步地，为了接收泵浦激光并通过电光调制及四波混频过程，在较低功率阈值下同时产生两套重复频率稍有差异的宽带中红外光频梳，上述微腔单元为铌酸锂微腔。铌酸锂微腔由单芯片集成的公共波导与环形腔波导组成；其中公共波导的输入端用于接收泵浦激光，输出端用于将产生的光频梳耦合至腔外，环形腔波导用于通过电光调制和四波混频过程产生光频梳；环形腔波导的内、外两侧需分别进行N型掺杂和P型掺杂，并分别与内侧电极及外侧电极相连接。进一步地，为了提供中心频率稍有差异的双频调制信号，对铌酸锂微腔进行电光调制，上述调制单元为射频信号发生器，射频信号发生器的两个信号输出端口均与铌酸锂微腔外侧(或内侧)电极连接，其公共地线端口与铌酸锂微腔内侧(或外侧)的电极连接。进一步地，为了将产生的双光梳均分为一路测试光和一路参考光，上述分束单元为分束器；上述分束器的输入端与铌酸锂微腔的公共波导输出端连接；分束器的输出端分别与测试单元和功率平衡单元连接。进一步地，为了对经历待测样品吸收后的测试光进行光电转换，上述信号探测单元为第一中红外光电探测器，用于提供吸收光谱信息并注入至频谱分析单元。为了对经历功率平衡后的参考光进行光电转换，上述参考探测单元为第二中红外光电探测器，用于提供参考光谱信息并注入至频谱分析单元。进一步地，为了增强信号对比度，上述功率平衡单元为可调衰减器，用于调控参考光路的强度，均衡测试和参考双光梳之间的强度差值。进一步地，为了实时分析比对测试光路以及参考光路的双梳拍频信号，上述频谱分析单元为示波器。本专利技术还提供一种基于上述装置实现中红外双光梳光谱测量的方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：步骤一、调节泵浦单元，使得出射激光的功率满足微腔单元发生电光调制与四波混频的阈值条件，而且激光的模场面积压缩至最小然后注入至微腔单元中；步骤二、调节调制单元，使其两个通道分别输出两种中心频率稍有差异的射频信号，对微腔单元进行双频调制；中心频率的差值通常设置为几kHz至几十MHz；步骤三、微腔单元在双频调制条件下，通过电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高集成超高分辨率中红外双光梳光谱测量装置，其特征在于：包括泵浦单元、调制单元、微腔单元、分束单元、测试单元、信号探测单元、功率平衡单元、参考探测单元及频谱分析单元；/n所述泵浦单元用于提供连续泵浦激光；/n所述调制单元用于提供双频调制信号，对微腔单元进行电光调制；/n所述微腔单元为同时具备电光效应和四波混频效应的微腔，用于接收连续泵浦激光，并通过电光调制及四波混频过程，同时产生两套重复频率有差异的中红外光频梳；/n所述分束单元用于将中红外双光梳均分为两路，一路为测试光，另一路为参考光；/n所述测试单元用于放置待测样品，进行测试；/n所述信号探测单元用于对经过待测样品吸收后的测试光进行光电转换，提供吸收光谱信息并注入至频谱分析单元；/n所述功率平衡单元用于均衡测试光与参考光两路双光梳之间的强度差值；/n所述参考探测单元用于对参考光进行光电转换，提供参考光谱信息并注入至频谱分析单元；/n所述频谱分析单元用于比对测试双光梳与参考双光梳的拍频信号，获得样品测试光谱信息。/n

【技术特征摘要】
1.一种高集成超高分辨率中红外双光梳光谱测量装置，其特征在于：包括泵浦单元、调制单元、微腔单元、分束单元、测试单元、信号探测单元、功率平衡单元、参考探测单元及频谱分析单元；
所述泵浦单元用于提供连续泵浦激光；
所述调制单元用于提供双频调制信号，对微腔单元进行电光调制；
所述微腔单元为同时具备电光效应和四波混频效应的微腔，用于接收连续泵浦激光，并通过电光调制及四波混频过程，同时产生两套重复频率有差异的中红外光频梳；
所述分束单元用于将中红外双光梳均分为两路，一路为测试光，另一路为参考光；
所述测试单元用于放置待测样品，进行测试；
所述信号探测单元用于对经过待测样品吸收后的测试光进行光电转换，提供吸收光谱信息并注入至频谱分析单元；
所述功率平衡单元用于均衡测试光与参考光两路双光梳之间的强度差值；
所述参考探测单元用于对参考光进行光电转换，提供参考光谱信息并注入至频谱分析单元；
所述频谱分析单元用于比对测试双光梳与参考双光梳的拍频信号，获得样品测试光谱信息。


2.根据权利要求1所述的高集成超高分辨率中红外双光梳光谱测量装置，其特征在于：所述泵浦单元包括依次连接的窄线宽连续激光源(1)和显微物镜(2)；上述窄线宽连续激光源(1)用于出射高功率连续泵浦激光，所述显微物镜(2)用于将泵浦激光模斑压缩后入射到微腔单元。


3.根据权利要求2所述的高集成超高分辨率中红外双光梳光谱测量装置，其特征在于：所述微腔单元为铌酸锂微腔(3)。


4.根据权利要求3所述的高集成超高分辨率中红外双光梳光谱测量装置，其特征在于：所述调制单元为射频信号发生器(4)；射频信号发生器(4)的两个信号输出端口均与铌酸锂微腔(3)外侧电极连接，射频信号发生器(4)的公共地线端口与铌酸锂微腔(3)内侧电极连接；或，射频信号发生器(4)的两个信号输出端口均与铌酸锂微腔(3)内侧电极连接，射频信号发生器(4)的公共地线端口与铌酸锂微腔(3)外侧的电极连接。


5.根据权利要求4所述的高集成超高分辨率中红外双光梳光谱测量装置，其特征在于：所述分束单元为分束器(5)；所述分束器(5)的输入端与铌酸锂微腔(3)的公共波导输出端连接；所述分束器(5)的输出端分别与测试单元和功率平衡单元连接。


6.根据权利要求1-5任一所述的高集成超高分辨率中红外双...

【专利技术属性】
技术研发人员：王擂然，孙启兵，石磊，张文富，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：陕西;61