單腔雙光梳激光器光譜學應用

多種氣體高速監測

介紹

雙光梳光譜是一種強大的技術，廣泛應用于各種實際應用。它在環境監測、工業過程控制、大氣研究、燃燒分析和許多其他領域中發揮著至關重要的作用。通過測量光分子和氣體分子之間的相互作用，光譜學提供了有關氣體成分、濃度和其他特性的寶貴見解。

寬帶方法，例如傅里葉變換光譜，通常用于氣體光譜。傅里葉變換光譜法利用干涉儀來測量光的強度與波長的關系。這種方法可同時捕獲整個光譜，從而可以在一次測量中分析多種氣體。

主要挑戰：傅里葉變換光譜法中的光學延遲掃描

傳統的傅里葉變換光譜在實現高分辨率和快速更新速率方面面臨挑戰。光譜分辨率受干涉儀臂長差異的限制，這可能需要不切實際的光延遲路徑差異。此外，傅里葉變換光譜中使用的機械掃描機制通常會在速度、靈敏度和可靠性方面帶來限制。這些限制推動了對替代方法的需求，這些方法可以克服這些挑戰，并在氣體光譜應用中提供更高的性能。

雙光梳光譜

雙電梳光譜法是一種優異技術，它利用頻率電梳的優異特性來實現具有快速更新速率的高分辨率氣體光譜。與傳統的光譜方法不同，雙光梳光譜不依賴于機械掃描或移動部件。相反，它利用兩個精確控制的頻率梳來產生穩定且相干的時間干涉圖樣，通過簡單的傅里葉變換即可從中提取光譜信息。

此外，雙光梳光譜提供快速更新速率，允許實時和連續監測氣體樣品。使用簡單的光電二極管，可以快速捕獲整個氣體光譜，無需機械掃描并實現高速數據采集。這種快速更新速率對于實時測量至關重要的動態氣體分析和過程控制應用特別有價值。

由單腔雙梳激光器驅動的THz-TDS系統中的光學延遲掃描參數的圖示。長度為1/frep的光學延遲掃描每1/Δfrep重復一次，由兩個梳狀重復率frep的失諧Δfrep給出

使用單腔雙光梳激光器的雙光梳光譜

在雙光梳光譜學領域，單腔雙光梳激光器為實現高分辨率氣體分析提供了一種特別的方法。然而，在單腔配置中，由于兩個光梳通常是自由運行的，它們之間的相干時間有限，這就帶來了一個常見的挑戰。

為應對這一挑戰，主要采用兩種策略：快速測量或進行額外的處理步驟以實現長期相干平均。在快速測量的情況下，必須高速進行數據采集，以便在有限的相干時間內捕獲所需信息。這種方法允許對氣體樣本進行實時分析，但可能會對某些應用造成限制。

或者，在單腔雙光梳光譜學中，可以采用額外的處理步驟來實現長期相干平均。一種方法是引入一個輔助連續波（cw）激光器，用于跟蹤光梳之間相對相位的變化。這個輔助激光器為相干平均提供了參考，無需外部穩定電子設備即可實現長期穩定測量。

另一種技術是使光梳以較高的重復頻率差運行，從而實現自洽的相對光相位采樣。在這種情況下，可以在無限長的測量時間內獲得梳齒線分辨測量結果。這種方法無需穩定電子設備，同時仍能實現準確的氣體分析。

這兩種策略都增強了單腔雙光梳光譜學的能力，使其能夠在較長時間內進行高分辨率氣體測量。單腔雙光梳激光器無需依賴穩定電子設備就能獲得梳齒線分辨測量結果，為氣體傳感和過程控制應用提供了一種更易于實現且實用的解決方案。

K2 Photonics 在高分辨率傅里葉變換光譜中的優勢

• 掃描速度快

單腔雙光梳激光器能夠以優異的更新速率進行高分辨率測量，速度高達 100 kHz，在特殊情況下甚至接近 1 MHz。

• 精度高

雙光梳光譜提供較高的測量分辨率，能夠對氣體吸收特征進行精確采樣。使用 K2-1000 系統，可以實現出色的 1 GHz 分辨率，非常適合在環境空氣條件下進行氣體傳感。

• 體積小

無需長而復雜的機械延遲線，大大簡化了高性能傅里葉變換光譜設置的實現。

• 靈敏性高

鎖模固態激光器在高頻下產生具有超低噪聲（RIN 和定時）的激光，可實現高靈敏度、散粒噪聲受限的測量。