研究人员开发出简单的新宽带光谱方法 可实现Hz级精度测量

盖世汽车讯 自20世纪60年代首次激光演示以来，激光光谱学已成为研究原子和分子详细结构和动力学的重要工具。随着激光技术的进步，其应用能力得到进一步提升。激光光谱学主要有两种类型：基于频率梳的激光光谱学和可调谐连续波（CW）激光光谱学。

基于梳状频率的激光光谱学能够实现极其精确的频率测量，精度高达18位数。这种非凡的精度使其在光学时钟、重力传感和暗物质搜索等领域具有广泛应用。频率梳还可以实现高精度、高速宽带光谱测量，因为它们结合了大带宽与高光谱分辨率。

然而，其缺点之一是每个梳状模式的功率较低，因此难以检测痕量气体。梳状模式之间的间隙也需要额外的技术来测量光谱上窄带特征。此外，高精度测量需要具有长期相干性的梳状源，这就需要复杂而精密的稳定系统。

可调谐CW激光器具有高光子通量、长交互路径和频率灵活性等特点，是高信噪比（SNR）的灵敏分子光谱学、气体传感和激光雷达等应用的理想选择。然而，这些系统经常受到激光频率扫描速度波动的影响。

研究人员已经开发了各种方法来应对这些波动，包括干涉测量法、单边带调制和光学频率梳。频率梳校准的可调谐激光光谱法结合了频率梳的精度与CW激光器的可调性和高功率。然而，这种方法需要一个具有平坦光谱和宽范围稳定偏振的参考频率梳，而这一点很难实现。

据外媒报道，马克斯-普朗克光学所（Max Planck Institute for the Science of Light）的研究人员利用可调谐激光器开发出简单的新宽带光谱方法，实现了Hz级精度。

图片来源：《Advanced Photonics》

研究人员在期刊《先进光子学》（Advanced Photonics）中进行了详细介绍，该技术使用光纤腔和双射频（RF）调制技术对激光频率进行实时校准。这种方法能够精确跟踪扫描激光在每个时间点的颜色。它提供的校准标记可作为易于使用的光频率标尺，以超高精度测量光谱特征之间的光频率距离。

使用这种方法，研究人员以低于10Hz的精度测量了11THz频率范围内光纤环腔自由光谱范围的微小偏差，比现有的可调谐激光光谱法提高了一个数量级。受参考腔线宽的限制，测量速度达到1THz/s。与基于频率梳的光谱测量相比，该技术具有更高的光学探测功率以及更好的光谱平坦度和偏振稳定性。

该方法还可用于表征微谐振器等集成光子器件的光谱特征，以及测量HF气体的分子吸收光谱，与现有方法相比，精度提高了两个数量级。这种强大而简单的方法不需要锁模或锁相，因此适用于实验室外的应用，包括激光雷达系统、3D成像、开放路径痕量气体传感、光子器件表征和天体物理光谱仪校准。这种方法的简单性和鲁棒性使其成为在具有挑战性的环境中使用的理想选择。