1 国网四川省电力公司电力科学研究院，四川 成都 610041
2 华东师范大学重庆研究院，重庆 401121
3 国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，湖北 武汉 430074
双光梳光谱是实现高分辨光谱分析的重要工具，其因相干特性依赖于复杂、庞大的频率锁定与反馈系统，导致成本高昂且对环境扰动敏感，应用领域受限。基于电光频率梳的双光梳系统具有装置简单、频率捷变及相干性高等优势，有利于外场的应用，但其在气体检测应用中的含量反演精度及实时性仍有待验证。为此，搭建了高相干电光双光梳系统，并利用多通气体池实现了CO和CO2气体吸收光谱测量，其结果与HITRAN数据库仿真结果一致。光谱分辨率达200 MHz，单次刷新时间仅为4 μs。实验通过对CO2吸收峰的含量反演与多峰拟合，将含量不确定度缩小至2.86%。此外，通过对CO吸收光谱的快速检测，验证了系统对混合气体含量监测的实时性，该系统有望应用于电力设备故障特征气体的实时监测。
分子光谱 电光 频率梳 双光梳光谱 气体检测 激光与光电子学进展
2023, 60(17): 1730002
1 华东师范大学, 精密光谱科学与技术国家重点实验室, 上海 200062
2 华东师范大学重庆研究院, 精密光学重庆市重点实验室, 重庆 401121
随着电力系统向高压、 大容量、 信息技术应用等方向发展, 电力设备的高效运维对于保障电力系统安全运行和经济平稳增长具有重大意义。 对六氟化硫气体分解产物的检测是电气绝缘设备检漏及判断故障类型的有效手段。 基于光学频率梳的双光梳光谱检测技术具有高分辨、 高精度、 宽光谱、 高速动态等优势, 有望在电力设备漏气故障检修中, 为判断特征气体种类及定量分析提供可靠手段。 搭建了基于两台集成掺铒光纤光梳的双光梳光谱检测装置。 通过精密频率控制及精细温控, 光梳重复频率抖动从18.37 Hz降低至607.72 μHz, 光梳梳齿稳定度控制在10-12。 装置具有长时间稳定和小型化集成的特点, 对外界环境干扰免疫性强, 在室外环境运行两小时, 光梳的重复频率及载波包络相位信号仍能保持相位锁定, 两台光梳相干性无明显劣化。 在光谱检测方面, 结合使用超灵敏多通气室, 对CO与CO2混气进行了测量, 在ms量级时间内实现了1 540～1 590 nm波段内CO和CO2吸收峰的同时成谱检测, 光谱分辨率达1 pm。 分别以CO和CO2在1 585.47、 1 581.946 nm和1 580.5、 1 579.575 nm的特征吸收峰为例, 通过洛伦兹数据拟合反演出相应分子数密度。 CO和CO2的气体分子数密度的多峰测量不确定度分别为0.32%与0.24%, 较单峰测量结果(2%)降低了近1个量级。 该研究推进了双光梳光谱技术及系统在电力设备漏气故障特征气体非接触实时检测中的应用。 传统接触式检测存在检测气体种类单一、 积分时间长、 难以做到长期在线实时监测的缺点, 而双光梳光谱检测能够在ms量级对多组分气体的多峰非接触式同时成谱检测, 在缩短检测时间的同时提高了检测精度, 为电力设备漏气故障的及时排查及故障类型的诊断提供了有效途径。
光学频率梳 双光梳光谱 特征气体检测 Optical frequency comb Dual-comb spectroscopy Characteristic gas detection
Author Affiliations
Abstract
State Key Laboratory of Advanced Optical Communication Systems and Networks, Department of Electronic Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China
Optical frequency comb with evenly spaced lines over a broad bandwidth has revolutionized the fields of optical metrology and spectroscopy. Here, we propose a fast interleaved dual-comb spectroscopy with sub-femtometer-resolution and absolute frequency, in which two electro-optic frequency combs are swept. Electrically-modulated stabilized laser enables ultrahigh resolution of 0.16 fm (or 20 kHz in optical frequency) and single-shot measurement in 90 ms. Total 20 million points are recorded spanning 3.2 nm (or 400 GHz) bandwidth, corresponding to a spectral sampling rate of 2.5 × 108 points/s under Nyquist-limitation. Besides, considering the trade-off between the measurement time and spectral resolution, a fast single-shot measurement is also realized in 1.6 ms with 8 fm (or 1 MHz) resolution. We demonstrate the 25-averaged result with 30.6 dB spectral measurement signal-to-noise ratio (SNR) by reducing the filter bandwidth in demodulation. The results show great prospect for precise measurement with flexibly fast refresh time, high spectral resolution, and high SNR.Optical frequency comb with evenly spaced lines over a broad bandwidth has revolutionized the fields of optical metrology and spectroscopy. Here, we propose a fast interleaved dual-comb spectroscopy with sub-femtometer-resolution and absolute frequency, in which two electro-optic frequency combs are swept. Electrically-modulated stabilized laser enables ultrahigh resolution of 0.16 fm (or 20 kHz in optical frequency) and single-shot measurement in 90 ms. Total 20 million points are recorded spanning 3.2 nm (or 400 GHz) bandwidth, corresponding to a spectral sampling rate of 2.5 × 108 points/s under Nyquist-limitation. Besides, considering the trade-off between the measurement time and spectral resolution, a fast single-shot measurement is also realized in 1.6 ms with 8 fm (or 1 MHz) resolution. We demonstrate the 25-averaged result with 30.6 dB spectral measurement signal-to-noise ratio (SNR) by reducing the filter bandwidth in demodulation. The results show great prospect for precise measurement with flexibly fast refresh time, high spectral resolution, and high SNR.
dual-comb spectroscopy optical frequency comb interferometry Opto-Electronic Advances
2022, 5(12): 210023
1 云南师范大学物理与电子信息学院, 云南省光电信息技术重点实验室, 云南 昆明 650500
2 北京信息科技大学, 光电测试技术及仪器教育部重点实验室, 北京 100192
光频梳因频率等间隔、 波长稳定、 谱线线宽窄以及谱宽大等特性, 在高精度测量和计量中具有广泛的应用。 其中, 双光梳快速测量包括光谱测量、 绝对测距、 三维成像和超快异步光学采样等已成为研究热点之一。 近年来, 基于自由运行的单腔双光梳激光器的双梳光谱学系统由于具有结构简单、 测量范围大和精度高等优点而备受关注。 首先从时域和频域介绍了光频梳的特性和应用, 尤其介绍了双光梳测量的优势, 相较目前主流的稳频稳相锁模激光器、 电光调制等双光梳光源实现方案, 单腔双光梳激光器方案有望避免采用复杂的电子控制系统, 简化双光梳光源的结构、 体积和成本。 因此, 重点介绍了波长复用、 偏振复用、 空间复用和脉冲波形复用的单腔双光梳光纤激光器实现技术, 并对其基本原理、 性能参数和当前研究的进展以及目前发展中仍然存在的问题进行了分析; 同时对保偏光纤双光梳激光器的研究现状及其性能进行了总结。 接着, 重点介绍了双梳光谱学的测量原理, 回顾了现有光谱扩展技术, 并详细介绍了基于自由运行的单腔双光梳激光器的双梳光谱学应用案例, 包括掺铒光纤激光器所在的近红外波段以及其扩展到中红外和太赫兹波段的光谱探测。 最后, 总结了目前的单腔双光梳激光器的主要发展趋势, 包括进一步提高单腔型双光梳激光腔的重频稳定性、 降低共模噪声、 探索单腔双光梳系统在中红外以及太赫兹波段的应用, 推动单腔双光梳锁模光纤激光器的实用化。
光频梳 双梳光谱学 锁模激光器 异步光学采样 Optical frequency comb Dual-comb spectroscopy Mode-locked laser Asynchronous optical sampling 光谱学与光谱分析
2021, 41(11): 3321
1 清华大学精密仪器系精密测试技术与仪器国家重点实验室, 北京 100084
2 北京邮电大学电子工程学院信息光子学与光通信国家重点实验室, 北京 100876
双光梳光谱技术作为一种新兴的宽带光谱测量技术,具有超高分辨率、高灵敏度和高采样率的特点,在气体吸收谱测量、温室气体排放监控、非线性光谱成像等领域具有重要应用。研究表明,仅从一台激光器中产生高相干的双光梳光源,克服了传统双光梳光源产生方法中存在的频率锁定系统复杂、梳齿数量较少、制作工艺困难等缺点,这种光源是理想的双光梳光源之一。结合国内外相关研究进展,综述了单腔双光梳的产生方法、单腔双光梳锁模光纤激光器中的孤子动力学研究以及单腔双光梳的应用。
激光器 双光梳光谱技术 单腔双光梳 锁模光纤激光器 中国激光
2021, 48(15): 1501001
Author Affiliations
Abstract
1 Beihang University, School of Electronic and Information Engineering, Beijing, China
2 Tokushima University, Graduate School of Advanced Technology and Science, Tokushima, Japan
3 JST, ERATO MINOSHIMA Intelligent Optical Synthesizer, Tokushima, Japan
4 Tokushima University, Institute of Post-LED Photonics, Tokushima, Japan
5 Tokushima University, Graduate School of Technology, Industrial and Social Sciences, Tokushima, Japan
6 Tokushima University, Research Cluster on “Multi-scale Vibrational Microscopy for Comprehensive Diagnosis and Treatment of Cancer”, Tokushima, Japan
7 Université du Littoral Côte d’Opale, Laboratoire de Physico-Chimie de l’Atmosphère, Dunkerque, France
8 Beihang University, Beijing Advanced Innovation Center for Big Data-based Precision Medicine, Beijing, China
Dual-comb spectroscopy (DCS) is an emerging spectroscopic tool with the potential to simultaneously achieve a broad spectral coverage and ultrahigh spectral resolution with rapid data acquisition. However, the need for two independently stabilized ultrafast lasers significantly hampers the potential application of DCS. We demonstrate mode-resolved DCS in the THz region based on a free-running single-cavity dual-comb fiber laser with the adaptive sampling method. While the use of a free-running single-cavity dual-comb fiber laser eliminates the need for two mode-locked lasers and their frequency control, the adaptive sampling method strongly prevents the degradation of spectroscopic performance caused by the residual timing jitter in the free-running dual-comb laser. Doppler-limit-approaching absorption features with linewidths down to 25 MHz are investigated for low-pressure acetonitrile/air mixed gas by comb-mode-resolved THz spectroscopy. The successful demonstration clearly indicates its great potential for the realization of low-complexity, Doppler-limited THz spectroscopy instrumentation.
optical comb terahertz dual-comb spectroscopy molecular spectroscopy Advanced Photonics
2020, 2(3): 036004
1 上海理工大学光电信息与计算机工程学院, 上海 200093
2 华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室, 上海 200062
采用自适应双光梳光谱检测方法对乙炔(C2H2)气体在ν1+ν3吸收带部分的P支谱线进行测量,并通过与HITRAN相应数据库的对比,验证了该方法的准确性。从采样定理出发,分析了自适应主动补偿技术的工作机理,并讨论了其高阶信号和带宽的特性。使用非线性光纤对光梳进行200 nm范围的超连续谱展宽,拓展了其宽谱特性。时域信号单次采样时长为600 μs,光谱分辨率达1.09 GHz,光谱更新频率为180 Hz。自适应补偿技术有效解决了自然室温条件下梳齿快漂引起的光谱抖动问题。同时,光梳振荡源重复频率锁定后均方差抖动控制为7.01 MHz,锁定光梳振荡源的重复频率和反馈调节控制连续激光的中心频率,可有效抑制光梳梳齿的慢漂现象,使双光梳光谱测量系统的稳定运行时间由几分钟提升至半小时量级,增强了自适应双光梳系统的长期稳定性和实用性。
激光光学 光谱分析 自适应双光梳光谱 载波包络相位 重复频率
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所安徽光子器件与材料省级实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
基于光学频率梳的双光梳光谱技术(DCS)集高分辨率、高灵敏度、宽光谱覆盖和快速测量等优势于一身; 近年来, DCS发展迅速, 新原理、新方法、新技术和新应用不断涌现, 极有必要对其发展现状进行系统梳理, 对其未来发展趋势进行客观述评。为了给相关科技人员在把握DCS发展全貌时提供参考, 从光梳出发, 以异步光学取样原理与噪声特性为主线, 对DCS的测量原理、实现方案、性能指标、应用技术、仪器化, 以及未来可能的发展趋势进行综合述评与预测。
光谱学 双光梳光谱技术 光学频率梳 激光光谱学 超快激光技术
