基于双光频梳多外差干涉和飞行时间法的高精度气体吸收光谱探测

High precision gas absorption spectra measurement, with high performances of spectral resolution, signal to noise ratio (SNR), spectral line position accuracy, and absorption length accuracy, is a powerful tools in developing of high resolution transmission database and quantitative analysis of trace gas. However it is not easy to achieve. To meet the challenge, we propose a new gas absorption spectra measurement method using dual optical frequency combs (OFCs). With the proposed method, the spectrum and absorption length can be measured precisely via locking the repetition rates and the offset frequencies of the two OFCs with different values. When the repetition rates of the two OFCs are set with a tiny difference, the dual OFCs create a multi-heterodyne spectra measurement system. The SNR and the spectral line position accuracy can be improved by optimizing the repetition rates and the offset frequencies, and then lock and measur these parameters precisely. While the repetition rates and the offset frequencies of the two OFCs are configured identically, the absolute absorption length can be measured using the time-of-flight method by scanning the repetition rates of the two OFCs synchronously. A phase-shifting algorithm, calculating the pahse envelope from the interferometry, is also used to determine the absorption length precisely. .To demonstrate the capability of the proposed method, an experimental system will be set up. The expected quantifications are listed as: spectral resolution: 0.01wavenumber, bandwidth: 800 wavenumber, SNR: >1000:1, spectral line position uncertainty: 1E-6 wavenumber, and absorption length relative uncertainty: 5E-5.

具备高光谱分辨率、高信噪比、高精度光谱位置及高精度吸收光程测量能力的高精度气体吸收光谱探测系统在光谱数据库构建、痕量气体定量分析等方面具有重要的应用价值, 但技术实现极富挑战性。本申请提出一种基于双光频梳的气体吸收光谱探测原理和方法。该方法的核心是双光频梳，通过对其参量的控制，实现光谱分析所需的吸收光谱和吸收光程的高精度测量。将双光频梳配置成具有一定重复频率差异的光源，实现多外差干涉机理的光谱探测。对光频梳参量进行优化，并有效锁定和精确测量，可提高信噪比和光谱位置精度。将双光频梳配置成同参量同步扫描的光源，实现基于飞行时间法的吸收光程测量，并采用相移算法提高测量精度。本申请将构建一套实验系统，实现光谱分辨率0.01波数，光谱带宽800波数 (6050波数~6850波数)，信噪比>1000:1，光谱位置不确定度1E-6波数，吸收光程测量相对不确定度5E-5的高精度光谱探测。

本项目旨在研究一种基于双光频梳光源的光谱探测原理和方法，实现吸收光谱和吸收光程的高精度探测。经过三年的系统研究，本项目较为圆满的完成研究计划。完成的主要研究工作包括：1）完成双光梳多外差光谱探测机理研究，获得双光梳特性参量与光谱分辨率、测量带宽及信噪比之间的理论关系。2）采用蒙特卡洛方法，完成光梳重频、偏频抖动对于双光梳光谱探测谱线位置、光谱信噪比等参数的影响特性分析，为双光梳光谱高性能探测提供了依据。3）基于飞行时间原理和双光梳异步光学扫描特性，提出一种非线性异步光学采样绝对距离吸收光程测量方法，在此基础上，发展出了互易非线性异步光学采样方法，实现量程的可靠拓展。更进一步，为了简化测量系统，提出并实现了一种采用电参考的异步光学采样测量方法。实验验证所提方法能实现10米量级，亚微米精度测量，相对不确定度优于1E-6。4）完成了1.5μm和2.0μm波段双光梳光谱探测系统实验，在2μm系统中，实现最高光谱分辨率约为0.027cm-1；在1.5μm系统中实现单帧信噪比约为17，每秒（2000帧）平均结果信噪比约为700:1。5）提出了一种重复频率可在101.3-103.0 MHz调节的混合锁模掺铒光纤激光器。实现了重复频率在调谐范围内的长期稳定，重频标准差达到0.2 mHz（@1 s）。并通过对飞秒光脉冲10次谐波的锁定，实现了重频相位噪声的有效降低。6）利用光频梳的频率特性，提出一种移频多通道拉曼光谱探测技术，实现拉曼光谱的超分辨探测，并通过对CCl4同位素拉曼峰的比对测试进行了验证。本项目取得的研究成果包括：在本领域学术期刊（如Scientific Reports, Optics Express, Applied Optics, Measurement science and technology等）中发表SCI论文9篇（引用29次），已录用待发表论文1篇（Chinese Physics B）。申请发明专利2项，已授权1项。