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光谱仪

中红外光谱仪使用量子级联激光频率梳

文/Gail Overton

认 识到基于下转换近 a) Sample Lens Beamsplitter NDF Lens QCL 中红外双光梳光谱仪的信
红外源（使用非线
噪比与系统的散粒噪声接近。
comb
性晶体实现）的中 在早期实验中，低精度
Sample LO Gas Ref. signal
红 外（mid-IR）频率梳，会 Lens cell NDF Lens 标准具和水蒸汽的实验测量，
受累于非线性相互作用，而 LO 在 40ms 的积分时间内展示了
comb
基于连续波（CW）激光泵浦 Sample signal 1.4% 的 精度。 市 售 IRsweep
微谐振器的光梳依赖于有限 b) 光 谱 仪 的 分 辨 率 为 10MHz、
-1
光谱范围的有损体元件，瑞 Transmission 光谱采样 <0.5cm 、带宽
-1
士 IRsweep 公司的工程师们正 1.2 150cm ，在 5~10μm 的范围
在使用锁相量子级联激光器 1.0 内有几个中心波长，外形尺寸
0.8
（QCL）的四波混频来产生超 103cm×63cm×34cm。
0.6
稳定、可重复的中红外频率梳， “我们很高兴能将中红外
0.4
这对宽带、紧凑型中红外光谱 0.2 双光梳光谱仪的优势，提供给
仪的开发至关重要。 [1] 0 0 那些不想从零开始建立自己
1340 200
通过与频率调制激光器类 系统的用户，”IRsweep 公司
1350 400 Time
似的操作，可以获得中心频 Wavenumber 1360 600 (µs) 联合创始人兼总经理 Markus
(cm -1 )
率在 6~8μm 之间、模间拍频 Geiser 说，“该仪器对于要求
图1：光频齿间距不同的两个频率梳的多外差拍是双光梳光谱技术的基
线宽 <10Hz 的基于 QCL 的频 微秒级的高时间分辨率应用，
础（a），其中一个光梳用作本地振荡器，而另一个光梳通过快速检测器
率梳。因为该频率梳是通过 评估样品的吸收特征，进而获取样品的数据。显示界面给出时间步长为 以及高光谱带宽和高亮度特性
10μs的时间分辨吸收（b）。
QCL 激光器芯片中的四波混 很重要的应用场合而言，尤其
频产生的，所以电泵浦的单片集成光 光梳由大约 6mm 长的铟镓砷 / 铟铝砷 有用，例如生命科学领域的应用，与
梳源，比其他系统更坚固、更简单， （InGaAs/InAlAs）QCL 腔形成，具有 传统 FTIR 光谱仪相比，该仪器能够
-1
使其可以很方便地集成到紧凑型光谱 大约 200 根间距为 7.5GHz（0.25 cm ） 实时观察厚得多的样品中的蛋白质共
-1
仪中。这样得到的宽带（66cm ）、基 的光频齿 ；而另一个光梳的光频齿间 形变化。”
于吸收的、散粒噪声极限中红外光谱 距稍有不同，使得能够观察探测器模
-1
仪，能够在 0.25cm 的光谱采样下获 拟带宽内的多外差光谱。 参考文献
1. A. Hugi, "Mid-Infrared spectrometer
得 10MHz 的分辨率。 与其他的双光梳光谱仪装置一
featuringμ-second time resolution
样，一个光梳用作本地振荡器，而另
based on dual-comb quantum cascade
双光梳QCL装置 一个光梳用于从样品中获取数据（见 laser frequency combs," CLEO
该仪器称为 IRspectrometer，使 图 1）。QCL 频率梳的频率调制特性， Conf., Photonic Instrumentation &
Techniques for Metrology & Industrial
用两个光频齿间距稍微不同的、基于 降低入射到检测器上的峰值功率，拓
Process, San Jose, CA (May 2017).
QCL 的频率梳的多外差拍。其中一个 宽了光谱仪的动态范围──事实上，

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