[论文解读] Frequency comb vernier spectroscopy in the near infrared

Feng Zhu, James Bounds+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 3, 2014

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 18被引用 9

一句话总结

本文提出了一种基于飞秒掺铒光纤激光器、扫描高精细度腔和InGaAs相机的频率梳vernier光谱技术，实现了近红外波段的宽带、高分辨率和高灵敏度吸收测量。该方法在仅0.5秒内即可完成5 THz的光谱范围测量，实现约70 ppbv的检测限，灵敏度达~8×10⁻⁸ cm⁻¹Hz⁻¹/²，光谱分辨率为1.1 GHz。

ABSTRACT

We perform femtosecond frequency comb vernier spectroscopy in the near infrared with a femtosecond Er doped fiber laser, a scanning high-finesse cavity and an InGaAs camera. By utilizing the properties of a frequency comb and a scanning high-finesse cavity such spectroscopy provides broad spectral bandwidth, high spectral resolution, and high detection sensitivity on a short time scale. We achieved an absorption sensitivity of ~8E-8 cm-1Hz-1/2 corresponding to a detection limit of ~70 ppbv for acetylene, with a resolution of ~1.1 GHz in single images taken in 0.5 seconds and covering a frequency range of ~5 THz. These measurements have broad applications for sensing other greenhouse gases in this fingerprint near IR region with a simple apparatus.

研究动机与目标

• 开发一种紧凑、高灵敏度的方法，用于检测近红外指纹区的痕量气体。
• 克服传统光谱技术在光谱带宽、分辨率和检测灵敏度方面的局限性。
• 通过简单光学结构实现实时、快速的温室气体监测。
• 利用双频梳与高精细度腔，提升光谱性能。

提出的方法

• 利用飞秒掺铒光纤激光器在近红外波段生成具有宽光谱覆盖的频率梳。
• 采用扫描高精细度腔调制频率梳线，通过产生vernier效应实现光谱分辨率的增强。
• 利用InGaAs相机在单次采集中检测跨越5 THz带宽的透射光谱。
• 通过固定频率梳与可调谐腔模之间的vernier效应，实现高分辨率光谱滤波。
• 将高精细度腔用作可调谐滤波器，根据共振条件选择性透射频率梳线。
• 通过测量对应于分子吸收线的透射深谷完成光谱分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 频率梳vernier光谱技术是否能在近红外波段实现高灵敏度与宽光谱范围的痕量气体检测？
• RQ2 在紧凑系统下，该方法可实现的光谱分辨率和检测限是多少？
• RQ3 使用单张相机图像，高分辨率吸收光谱的采集速度有多快？
• RQ4 该方法是否可应用于检测近红外指纹区的其他温室气体？

主要发现

• 系统实现了约~8×10⁻⁸ cm⁻¹Hz⁻¹/²的检测灵敏度，对应于乙炔的检测限约为~70 ppbv。
• 在单次0.5秒测量中，于5 THz频率范围内实现了约1.1 GHz的光谱分辨率。
• 该方法通过简单的全光纤结构实现了高信噪比的宽带光谱测量。
• 频率梳与扫描腔之间的vernier效应实现了有效的光谱滤波，无需复杂电子设备。
• 该技术适用于乙炔等痕量气体及其他近红外区域温室气体的实时监测。