近红外自适应双光梳光谱测量系统研究

The span and resoultion can be well improved by the application of the optical comb in molecular spectroscopy as the light source. However, the sensitivity and the resolution of the sampling spectrum is limited by the noise both from feedback circuits loops and nonlinear supercontinuum spectrum generation. And the combs make it hard in the long term stability of the traditional dual-comb spectroscopy system. In this program, the system can be highly integrated with the application of the adapative dual-comb spectroscopy technology which gets away from the complex parts both at feedback loops and optical detection in traditional dual-comb system. The beat notes fluctuation will be compensated and cancelled to improve the resolution to Doppler limited level. The sampling time will be reduced to several hundreds of microseconds. The spectrum will be broadened with the nonlinear effect of the pulses in high nonlinear fibers to cover the range of 1 micrometer to 1.7 micrometer. The long term stability of the adaptive dual-comb spectroscopy system can also be improved with fuzzy feedback control of relative parameters in the system.

光梳技术应用于分子光谱测量，将光梳作为光谱测量的光源，可以有效提高分子吸收谱线测量的范围和精度。然而，传统双光梳光谱测量系统中，光谱采样信号灵敏度与分辨率受限于系统反馈电路噪声和超连续谱展宽引入的噪声。光梳的锁定难度和光路系统的复杂度影响着双光梳光谱测量系统工作的长期稳定性。本项目拟采用自适应双光梳光谱测量技术，摒弃传统双光梳光谱测量系统中复杂电路与光路部分，提高系统集成度。该技术方法采用主动补偿和消除光谱拍频信号的频率抖动，提高光谱分辨率至多普勒极限水平，减少单次光谱测量时间至百微秒量级。通过对双光梳光脉冲分别注入高非线性光纤进行超连续谱的展宽，使自适应双光梳光谱测量系统工作波段覆盖1微米至1.7微米，以丰富该波段相应待测气体分子振动与转动能级吸收谱区。最后，对相关物理参数进行模糊反馈，使自适应双光梳光谱测量系统可以实现长期稳定工作，为其在室外工作打下良好基础。

国内外科研工作者成功克服了光梳锁定的相关技术难题，并在光梳技术拓展和应用过程中完成了重要的工作。双光梳光谱测量系统中，光梳的长期稳定性和固有工作方式，是双光梳光谱测量技术应用和发展的主要瓶颈。本研究采用自适应双光梳光谱测量技术，理论上分析了自适应补偿原理，采用自由运行的激光器振荡源对气体吸收谱线进行测量，提高系统的抗干扰性。同时该方法将光谱分辨率提高至多普勒极限水平，减小光谱采样时间至百微秒量级。在该新方法的基础上，对双光梳振荡源脉冲采用非线性频率变换，拓展双光梳光谱频率测量范围，以覆盖分子振动与转动能级吸收谱区。通过对系统相关参数的模糊反馈初控制，提高了系统工作的长期稳定性，有利于其室外应用需求发展。该方法针对传统双光梳光谱测量技术中光梳锁定的难点，采用自适应双光梳光谱测量技术，有效规避传统光梳精确PID（Proportion, Intergral and Derivative）方式下，信号探测的难度以及系统的不稳定性。针对自适应双光梳光谱测量系统梳齿的自由漂移问题，采用模糊PID手段对相关反馈信号进行反馈控制，有效解决了自适应双光梳光谱测量系统的长期稳定性问题。结合自合适双光梳光谱测量技术对采样信号噪声和抖动的主动补偿，将有效消除采样光谱噪声和误差，减小信号采样的积分时间，提高光谱的分辨精度。同时，针对双光梳振荡源激光器锁模状态采用实时监测和主动反馈控制，保证振荡源的主动自动锁模状态调节，使其长期稳定工作。自适应双光梳系统建立后，应用于C2H2, CH4等气体吸收谱的精密测量，也应用于FBG高灵敏温度传感器测量等，同时，该系统具有远距离保密通信应用前景。