摘要

作為超快光子學領域一個諾獎級成就，光頻梳改變了光譜探測技術的發展脈絡，它為分子檢測、微觀過程研究以及測距遙感等領域提供了新的利器。盡管在多年的發展里，光頻梳技術已經取得了長足的進步，但如何為這項技術引入時間分辨能力，使其能夠在微秒乃至納秒量級的時間尺度上，實現對物理化學過程的分辨，成為了科學家關注的難點。近日，一支由美國國家標準與技術研究院 (NIST) 研究人員所組成的科研團隊，利用電光調制器實現了紅外雙光梳的輸出，并基于光參量振蕩器，完成了從紅外向中紅外波段的轉換，最終在20納秒的時間尺度內，實現了分子躍遷光譜的探測。由于具有突出的科學價值和實踐意義，該工作被發表于最新一期的Nature Photonics上。

納秒量級時間分辨光譜：將分子運動過程拍成“電影”的光學“魔術”

作為一種具備高精度、高穩定性的優質鎖模脈沖激光光源，光頻梳的重復頻率間隔以及載波包絡相移等參數被精確鎖定，故而在頻域上表現為一把齒距固定的“梳子”；由于能夠實現對甚高頻及低頻（電子探測器無法直接測得）信號的準確測量，因此光頻梳在精密探測、時頻傳遞以及光學計量等前沿技術領域內，獲得了較多的應用實例。基于光頻梳技術的理論依據，有研究人員進一步探索出了雙光梳光譜技術的應用方案，該技術本質上利用了兩列具有微小重頻差的光頻梳脈沖，通過對其進行異步光學采樣，采集得到干涉圖樣，最后通過反演獲得待測樣品的光譜信息。由于具備高質量光源的支撐作用，雙光梳天然具備高分辨、高靈敏、寬光譜覆蓋等顯著優勢。

對于雙光梳光源來說，實現分子光譜測量，助力“分子指紋光譜數據庫”的構建，是光與材料相互作用研究領域內一個具有顯著科學意義的課題。一般地，分子都由兩個或多個原子組成，原子之間存在扭曲、剪切以及搖擺等不同運動狀態，故而使分子能夠以不同激發狀態存在，通過識別不同能態，可以建立起特定官能團的對應關系；由于中紅外光能夠與基頻振動相互作用，因此可以為分子檢測提供更強的光譜特性以及更加豐富的識別特征。當利用中紅外激光測定混合物中不同種類分子含量時，僅需要分析不同組分光譜的疊加狀態，依據光譜特征便可以反推出各組分含量的多少，是一種方便快捷的手段。

圖2 利用雙梳光源對氣體噴射過程的測量

(圖源: NIST)

從溫室氣體濃度到新冠病毒檢測，雙光梳都能夠迅速地完成相應分子的探測任務，并取得不錯的探測指標，但對于需要高時間分辨能力的探測需求而言，仍未有較好的實現方案。近日，來自NIST的研究人員，在David A. Leigh教授的帶領下，成功實現了對這一技術難點的攻克。該團隊獨辟蹊徑，采用了一種更加簡單便捷的光源裝置，實現了納秒量級的時間分辨光譜探測，成功將分子吸收過程拍成了如圖2 所示的“連環畫”。

電光調制器 + 光參量振蕩器，尋常器件亦能碰撞出新火花

在本文所介紹的工作中，該研究團隊獨辟蹊徑，采用電光調制器來實現雙梳激光的輸出，并通過光參量振蕩器 (OPO) 實現波長的轉換，實驗裝置總體如圖3所示。該裝置首先利用了一個工作波長在1064 nm的外腔二極管激光器，產生穩定的頻梳輸出，并利用一個50:50的光纖耦合器，將該束頻梳分為兩束，兩條光纖臂上都連接了電光調制器，由于對頻梳頻率進行改變，以產生符合實驗要求的雙梳輸出，其中一臂還連接了聲光調制器，用以提供相對頻移，以確保每對梳齒的外差拍頻唯一；當兩束頻率略有差異的光梳合為一束后，該團隊研究人員又利用一個摻鐿光纖放大器，將輸出雙梳的功率由5 mW，放大至10 W的水平。

圖3 實驗裝置示意圖 (a) 雙光梳產生原理；(b) 氣體噴嘴結構示意

注：EDCL：外腔二極管激光器；EOM：電光調制器；AOM： 聲光調制器

放大后的雙梳被耦合進一臺商業化的OPO (TOPTICA Photonics TOPO) 裝置中，該OPO利用內置的周期極化鈮酸鋰晶體，對1微米的泵浦光源進行變頻輸出，該過程能夠產生可調諧的中紅外閑頻光輸出，進而滿足不同的實驗探測需求。這項工作最終能夠產生高達1 W的中紅外雙梳，同時能夠實現2190~4000 nm之間的可調諧輸出，相較于以往工作中需要兩個OPO來分別對雙梳進行頻率轉換的設計思路而言，這項工作無疑更加具備經濟及空間優勢。

圖4 中紅外光頻梳干涉圖及光譜表征 (a) 中紅外光頻梳干涉圖（部分）；(b) 對光頻梳功率譜的計算表征；(c) 在20 ns及1 μs時間尺度下對CO2氣體通過量的測量

為進一步驗證該裝置的實際工作表現，該團隊研究人員按照超音速噴氣式飛機仿造了一個射流系統，該裝置能夠定量噴射出CO2脈沖。實際測試中，該系統會先被抽制真空，避免氣體稀釋，隨即會有純的CO2氣體對其進行填充，填充壓強由138 kPa至727 kPa不等。當腔體內氣壓大于185 kPa時，CO2氣流的流速能夠達到1.8馬赫（超音速），在此流速下，該團隊研究人員對輸出氣流進行了探測。結果如圖4 (c) 顯示，即使是在1 μs的時間尺度下，依舊能夠清晰觀測到CO2吸收譜的躍遷。此外，該團隊研究人員還探究了容器壓強以及氣體種類對探測結果的影響，并分別通過實驗進行了驗證（如圖5）。

圖5 對不同氣體的探測實驗 (a) CO2噴射氣體所表現出的壓強依賴性；(b) 對CH4氣體的探測實驗

通過探測結果，該研究團隊能夠清晰捕獲到極短時間尺度內氣流脈沖的運動狀態，包括其在周圍空氣環境中所產生的振蕩，而這個時間量級上的技術細節，哪怕是最復雜的計算機仿真模擬也難以準確獲得。文章第一作者，來自NIST的David A. Leigh教授這樣評價該工作：“在例如飛機發動機這種復雜系統中，我們可以通過這種方法來捕捉所感興趣的分子，例如水、燃料或者二氧化碳，以觀察其變化規律，同時，我們也可以通過它來測量系統內壓力、溫度以及速度的變化，以期為內燃機設計、溫室氣體與大氣作用規律提供新的見解”。

總結與展望

在本文所介紹的工作中，研究人員提出了一種全新的中紅外雙梳光源設計方案，通過電光調制器與光參量振蕩器的有機結合，巧妙解決了超穩雙梳輸出及光頻率轉換等兩大技術難題，為雙梳光源在實際環境中的應用，提供了新的解決思路。科羅拉多大學教授、前NIST研究員、論文共同作者Greg Rieker表示：“這項工作的真正意義在于，它大大降低了希望使用雙梳設備研究瞬態過程研究人員的技術門檻”，“其可調諧性、靈活性以及高速特性為不同類型的測量開辟了新的天地”。

審核編輯：湯梓紅