CN102159926A - 具有频率梳和同步方案的干涉仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种干涉仪，该干涉仪包括：1)第一频率梳；2)适于与该第一频率梳相互作用以便生成干涉的第二频率梳；3)用于隔离这两个频率梳的频率分量中的频率分量子集之间的差拍信号的装置，这个频率分量子集优选但非必要地是第一频率梳的单条谱线和第二频率梳的单条谱线；4)用于监测这个差拍信号并将其用作采集单元装置的触发器或时钟的装置，该采集单元装置记录第一频率梳与第二频率梳的全部频率分量之间的差拍干涉信号。

Description

具有频率梳和同步方案的干涉仪

相关申请的引用

本申请要求2008年7月25日提交的美国临时申请No 61/083620的优先权，此处以引证的方式将其全部内容并入本公开中。

技术领域

本发明涉及干涉仪(interferometer)领域。本发明涉及一种干涉仪和用于在这种干涉仪中测量干涉的方法。

发明内容

本发明更具体地涉及一种干涉仪，该干涉仪包括：

1)第一频率梳，

2)适于与所述第一频率梳相互作用以便生成干涉的第二频率梳，

3)用于隔离所述第一频率梳的频率分量中的频率分量子集和所述第二频率梳的频率分量中的频率分量子集之间的差拍信号(beating signal)的装置。这种频率分量子集优选但非必要地是所述第一频率梳的单条谱线和所述第二频率梳的单条谱线，

4)用于监测这个差拍信号并将其用作记录所述第一频率梳的全部频率分量与所述第二频率梳的全部频率分量之间的差拍干涉信号的装置的触发器或时钟的装置。

本发明因此提供了一种具有基于监测条纹变化的触发方案的改进干涉仪。本文中描述的同步方法基于与频率梳不稳定性与时间的关系无关地确定两个频率梳的窄带部分的差拍频率和使用对允许利用新格栅来采样干涉信号的触发器或时钟方案的了解。

根据本发明第二方面，提供了一种用于分析具有光谱吸收和光谱色散特征的样本的干涉方法。该干涉方法包括：

1)探查正在研究的样本的第一频率梳，

2)适于与该第一频率梳相互作用以便生成干涉的第二频率梳。该第二频率梳可以探测所述样本或者可以不探测所述样本，

3)用于隔离所述第一频率梳的频率分量中的频率分量子集和所述第二频率梳的频率分量中的频率分量子集之间的差拍信号的装置。这种频率分量子集优选但非必要地是所述第一频率梳的单条谱线和所述第二频率梳的单条谱线，

4)用于监测作为时间函数的这个差拍信号并将其用作记录所述第一频率梳的全部频率分量与所述第二频率梳的全部频率分量之间的所述差拍干涉信号的装置的触发器或时钟的装置，

5)用于利用在4)中描述的信号作为时钟或作为触发器来记录所述第一频率梳的全部频率分量与所述第二频率梳的全部频率分量之间的所述差拍干涉信号的装置。

背景技术

光学频率梳(FC：Frequency Comb)是一种光谱，其由相位相干等距激光线组成。从例如R.Holzwarth、J.Reichert、T.Udem、T.W.

在2004年的美国专利6785303“Generation of stabilized，ultra-short light pulses and the use thereof for synthesizing optical frequencies”或R.Holzwarth、T.Udem、T.W.

在2006年的美国专利7026594“Method and device for producing radio frequency waves”等专利或T.Udem、R.Holzwarth、T.W.在Nature 416，233(2002)上发表的“Opticalfrequency metrology”可知，频率梳在本领域中是公知的，并且最常用于频率计量。

从例如Keilmann等人在OptLett.29，1542-1544(2004)上发表的“Time-Domain mid-infrared frequency comb spectrometer”或Schiller，S.在Opt.Lett.27，766-768(2002)上发表的“Spectrometry with frequency combs”中，基于两个频率梳的干涉仪在本领域中也是公知的。在这些系统中，记录了具有稍微不同的重复率(repetition rate)的两个相似频率梳之间的时域干涉图案。其关键是对表征所关注的光谱的光学频率进行降频转换以允许进行实际测量。可以使用单个检测器来记录被称作干涉图的数据(通常是时间的函数)。可以出于光谱的目的而对该干涉图进行傅里叶变换。由于这种干涉仪不包含运动部件，因此其可能导致非常快速的采集时间。

如果将第一梳表达为：

f₀₁+n.f_rep1

并且将第二梳表达为：

f₀₂+n.f_rep2

其中f₀₁和f₀₂是第一频率梳和第二频率梳各自的偏移，并且f_rep1和f_rep2是第一频率梳与第二频率梳各自的重复率且n是通常在10⁵与10⁶范围之间取值的整数，则第一频率梳与第二频率梳的差拍信号如下：

$I\left(t\right)=\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{A}_n\cos \left((f_{01}-f_{02}+n(f_{\mathrm{rep}1}-f_{\mathrm{rep}2}))t\right)$

并且该差拍信号仅取决于频率梳重复率之间的差异与频率梳偏移之间的差异，这些差异被要求在记录序列的时间尺度上是恒定的。

从两个相似频率梳之间的干涉获得了光学频率降频转换。此后将这两个频率梳命名为FC1和FC2。这两个频率梳具有稍微不同的重复率频率f_rep1和f_rep2，f_rep1和f_rep2按下式彼此相关：

f_rep1＝f_rep2(1+a)；0＜a＜＜1

各自的频率梳分量f_1，n与f_2，n之间的差拍差频b_n通过下式得出：

b_n＝f_1，n-f_2，n＝an f_rep2+(f₀₁-f₀₂)

该式示出了a是降频转换因子。换句话说，来自两个频率梳的多对谱线之间的拍音(通常出现在射频域中)提供了光谱的降频转换图像。为避免混叠，a必须被选择为例如使得a＜f_rep2/2。然而，这比通过活动镜导致的降频转换因子高出超过三个数量级。另外，由于在射频域中对相干信号进行外差式检波，因此与利用相干光源不同的是，可以以有效的技术噪声抑制检测到非常弱的信号，而且共加法(co-additions)不是必要的。这种方法是复用的，并且使能利用单个检测器同时分析扩展谱域。与顺序法或多通道法相比，凭借大大缩短的测量时间的益处，该复用方法具有扩展谱域观察的独特优点。

然而，这些已知系统未考虑两个频率梳的残留不稳定性。即使锁定这些频率梳，参数f_rep1、f_rep2、f₀₁、f₀₂也在短时间尺度(几微秒或更长)上遭遇可能低于10⁶分之一的轻微波动。因为这些残留不稳定性，所以两个频率梳的重复率之间的差异可能变化，由此造成干涉图案采样中的误差。在可以应用时，这种干涉仪实际上需要在测量时间内利用针对两个频率梳的重复率的稳定性和针对载波包络偏移频率的稳定性的非常高水平的约束来保持a f_rep2和(f₀₁-f₀₂)恒定。换句话说，必须在可能非常短的测量时间内强制两个独立频率梳源之间的相对相干性。这个约束是严格的并且防止利用简单的装置来实际实现该方法。如I.Coddington，W.C.Swann及N.R.Newbury的“Coherent multiheterodyne spectroscopy using stabilized optical frequency combs”，Physical Review Letters 100，013902(2008)所示，利用现有技术的基准谐振腔(reference cavity)来锁定这些频率梳，可以获取极好结果，但在工业或现场测量中，这种系统需要对最现代且最昂贵的频率计量工具的广泛了解而且不能在标准光谱学实验中使用。这种针对两个频率梳的重复率和载波包络偏移中的差异的稳定性的约束不同于具有Michelson干涉仪的傅立叶变换光谱法(FTS)的稳定性约束，在后者中，与频率梳稳定性无关地，通过恰当控制干涉仪的活动镜，生成了多普勒移位复本的频率梳源。在测量学中，该稳定性约束还不同于对频率梳的使用，其中，在较长时间尺度(几秒钟)上需要频率梳与射频或光学时钟的相位相干性。

本发明的目的是提供一种基于两个频率梳的、考虑了频率梳的不稳定性的改进干涉仪。换句话说，所提出的装置和方法使能测量两个频率梳之间的干涉，其中，至少一个频率梳具有作为时间的函数而改变的谱线位置。所提出的装置允许监测两个频率梳之间的映射的变化，以便克服现有技术的准确度与测量时间限制。结果，降低了对频率梳稳定性的约束。

根据本发明，该干涉仪包括：

第一频率梳发生器；

适于与第一频率梳发生器信号相互作用以生成干涉的第二频率梳发生器；

充当与频率梳不稳定性同步的时钟或使能触发对干涉过程的采样的系统。

本发明还涉及频率梳傅里叶变换光谱法(FC-FTS：Frequency Comb Fourier Transform Spectroscopy)并且涉及一种用于测量样本的光谱的光谱分析装置，该光谱分析装置包括根据前述权利要求中任一项所述的干涉仪，所述第一频率梳发生器和所述第二频率梳发生器中的至少一个适于与该样本相互作用。

附图说明

将参照附图对本发明的优选实施方式进行详细阐述，其中：

图1示出了适于傅里叶变换光谱法的吸收型光谱仪中的频率梳干涉仪的示意图；

图2包括图2A和图2B，图2A和图2B是分别示出两个光学频率梳光谱的示例和频率梳光谱源示例的对应差拍光谱的图；

图3示出了根据本发明的使能触发数据采集的系统的概念图；

图4示出了根据本发明的充当针对数据采集的时钟的系统的概念图；

图5示出了根据本发明的干涉仪的详细实施方式，其中，借助于连续波激光器执行对频率梳同步差拍信号的光谱滤波；

图6示出了在没有应用本发明中提出的方法的情况下通常获取的失真光谱；

图7示出了例示根据图4的原理的特定实施方式的、利用根据本发明的同步方法的干涉系统的框图；

图8示出了利用图7的干涉系统记录的无失真光谱；

图9示出了根据本发明的干涉仪的详细实施方式，其中，利用无源滤波器执行对频率梳同步差拍信号的光谱滤波；

图10包括图10A、图10B和图10C，图10A、图10B和图10C是分别示出使用本发明的干涉仪作为探测样本的吸收和/或色散的光谱仪的光学布局的示例的图。

图11示出了利用干涉仪获取的干涉图。

图12例示了本发明的利用微差测量的干涉仪的实施方式；

图13包括图13A、图13B、图13C和图13D，并且例示了本发明的针对速度调制的方面；

图14例示了本发明的针对塞曼光谱法的方面；

图15例示了本发明的针对偏振调制的方面。

具体实施方式

将参照附图对本发明的优选实施方式进行详细阐述，相同的附图标记在附图中始终表示相同要素。考虑频率梳傅里叶变换光谱法的说明示例和所有相关的仪器分析方法学(高光谱成像、显微术、振动圆二色性、衰减全反射、塞曼调制、速度调制、可选检测技术、时间分辨光谱学等)来最佳地理解本文中展示的带同步技术的干涉仪，但应注意的是，还可以使用除了本文中描述的应用以外的带同步技术的干涉仪。例如，本文中描述的带同步技术的干涉仪可以适用于在光学相干断层扫描(OCT：Optical Coherence Tomography)、干涉长度测量、光检测和测距(LIDAR：Light Detection And Ranging)、反射测量术、线性光学采样、电场之间的互相关测量。本文中未具体描述的基于波前重组或波幅重组的其它干涉应用也可以受益于同步技术。

如本领域中已知的，频率梳是由在光谱范围上规则隔开的激光器单色发射线组成的光谱源。最常用的是飞秒激光器，这造就了飞秒频率梳(FFC)。另选的是，通过在包括环形微谐振器或光纤的恰当材料中进行四波混频，可以制造该频率梳。频率梳还可以通过调相电光器件来生成。

总之，当使用锁模激光器时，该锁模激光器以时间周期T＝I/v_g周期性地发射超短脉冲，其中，I是激光谐振腔的长度，并且v_g是净群速度。由于该激光谐振腔中的色散，因此群速度和相位速度不同，从而导致载波针对每一个脉冲的包络的峰值发生相移。在频域中，光谱(系列周期性脉冲的傅立叶变换)由激光器模式的梳组成，所述系列周期性脉冲按脉冲重复频率f_rep分隔开。模式频率遵守以下关系：f_n＝n f_rep+f₀，其中n为整数，而f₀是由于载波包络导致的脉冲间相移。目前，频率梳的输出光谱可以横越一个以上的倍频程，并且f_rep和f₀的最佳稳定性级别使得从完美格栅的偏差不大于10¹⁹分之一。

换句话说，频率梳是由等距线组成的光谱。从锁模激光器生成频率梳不仅需要向脉冲包络应用周波，而且还需要向脉冲的整个电场(除了恒定相位外还包括它们的光学相位)应用周波。因此，需要脉冲之间的相干性。

如图1所示并且本身已知的，干涉仪1的具体结构包括频率梳“频率梳1”和频率梳“频率梳2”。“频率梳1”对测试容器(cell)100中包含的样本进行探测。检测器102检测由频率梳“频率梳1”和频率梳“频率梳1”的分束器101上的重组中生成的干涉，并且在计算机103处测量干涉图。来自具有稍微不同重复率的两个频率梳的多对谱线之间的拍音(在射频域中出现)提供了光谱的降频转换图像。

注意，干涉仪并不必须探测样本100，并且如果样本100存在，样本100可以与两个频率梳相互作用。也可以使用波前重组来代替波幅重组。在这种情况下，不需要分束器101。

根据本发明，频率梳FC1和FC2具有稍微不同的重复率频率f_rep1和f_rep2，f_rep1和f_rep2按下式彼此相关：

f_rep1＝f_rep2(1+a)；0＜a＜＜1。

根据本发明，频率梳FC1和FC2可以由飞秒锁模激光器以稳定的或自由振荡(freerunning)的重复率和载波包络偏移来生成。该锁模激光器可以通过非线性光纤加宽并且可以耦接至诸如差频/和频率生成、谐波生成和/或参量互作用的频率转换系统。频率梳FC1和FC2还可以通过四波混频效应或通过以电光调制器为种子的连续波激光生成。

根据本发明的光谱分析仪包括如上所述的图1的干涉仪1。各个激光器的被编号为1或2的光谱(如图2A所示)是按脉冲重复频率f_rep，j隔开的激光模式f_n，i构成的梳：

f_n，i＝f_0，i+n f_rep，i

其中，i＝1或2，整数n通常在10⁵至10⁶的范围中，并且在基于锁模激光器的频率梳的情况下，f_0，i是由激光谐振腔中的脉冲的群速度和相位速度之间的差异导致的载波包络偏移频率。重复频率通常在射频域中(在本示例中，根据自由光谱范围，重复频率接近于100MHz，其中f_rep，1-f_rep，2在10Hz至20kHz的范围中)。一个激光器探测(图1)吸收样本，并且在合束器上组合两个波束。利用个人计算机上的高分辨率数字化器对两个波束的被记录在快速光检测器上的差拍信号I进行放大和采样。

图2B所示的各个频率梳分量f_1，n与f_2，n之间的差拍差频b_n通过下式得出：

b_n＝f_1，n-f_2，n＝n a f_rep2+(f₀₁-f₀₂)

该式示出了a是降频转换因子。

因此可以将光检测器上记录的干涉图写成：

$I\left(t\right)=\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{A}_n\cos \left((f_{\mathrm{0,1}}-f_{\mathrm{0,2}}+n(f_{\mathrm{rep},1}-f_{\mathrm{rep},2}))t\right)$

其中，A_n是两个激光器的由于样本吸收而衰减的电场的波幅的乘积。与利用Michelson干涉仪时发生的类似，光谱的频率f_n，i＝f_0，i+n f_rep，i被降频转换至f_0，1-f_0，2+n(f_{rep， 1}-f_rep，2)。然而，由于不存在活动部件，因此受混叠限制的降频转换可以导致介于0与f_rep，2/2之间的射频域，而不导致如同基于Michelson的傅里叶变换光谱法的音频范围。这造成记录时间的急剧缩短。接着，对信号I(t)进行傅里叶变换以展现光谱；测量时间越长，光学分辨率就越好。当来自两个激光器的飞秒脉冲一致时，干涉信号展示了每1/8＝1/(f_rep，1-f_rep，2)出现的周期性连续的巨大突发。对包括两个以上这种突发的时间序列进行傅里叶变换解析了频率梳谱线。由于可以利用射频计数器直接测量频率梳参数(f_rep1、f_rep2、f₀₁、f₀₂)，因此之后可以容易地获取光学绝对值频率标度。使用光谱中存在的已知分子谱线或原子谱线以重新调节光学频率轴也是可能的。

在测量差拍信号的时间期间(可以短至几微秒)，频率梳(f_rep1、f_rep2、f₀₁、f₀₂)中的一个的至少一个参数可以作为时间的函数而稍微波动。换句话说，b_n是时间的函数。图2B由此仅提供了降频转换光谱的瞬时图像。实际上，因为重复率的波动按谐波指数n放大，所以频率梳的重复率(f_rep1、f_rep2)的波动比载波包络偏移频率(f₀₁、f₀₂)的波动更加棘手。因此，按恒定时间间隔对干涉图进行采样导致了失真的信息。

本发明的主要部分提供了一种以与最棘手的频率梳波动同步的方式来对干涉图进行采样的简单方法。提供了新的采样格栅。该想法在于将两条单独谱线之间的差拍信号与干涉频率梳隔离开，并且使用所得到的信号(如果频率梳的谱线位置以可忽略的方式波动，则该信号是正弦波)作为两个完整频率梳之间的干涉信号的采样过程的触发器(图3，使用同步差拍信号的零交叉作为触发器的特殊实施方式)或时钟(图4)。如果频率梳谱线未被很好地隔离(即，如果同步差拍信号存在于一对以上的谱线的拍音中)，则同步处理仍然起作用，但却在更加受限的时间序列内起作用(即，具有傅立叶变换光谱法的更加受限的分辨率)。

根据图5所示的第一实施方式，同步装置首先在于将单条谱线与各个频率梳隔离开。由“频率梳1”传递的光学信号的一部分在分束器的帮助下被发送到快速光检测器501，而该信号的大部分被用于干涉测量(下面描述一些实施方式)。连续波激光器503的射束也落在同一个检测器501上。连续波激光器503在和频率梳相同的光谱区域中以频率f_cw发射。可以将连续波激光器503锁定为基准或自由振荡，并且连续波激光器503的光谱纯度以及其频率稳定性主要决定了干涉测量的最大采样持续时间。频率梳1与连续波激光器之间的差拍信号是部分地位于射频域和微波域中的降频转换模式的频率梳。如果正确选择了光检测器501带宽和电子滤波502，可以隔离单条频率梳谱线与连续波激光器之间的差拍信号(其可以被写成(n f_rep1+f₀₁-f_cw))。利用光检测器504和电子滤波器505将相同过程应用至频率梳2，以便隔离频率梳2的单条谱线与同一连续波激光器503的电差拍信号(m f_rep2+f₀₂-f_cw))。利用电子混频器506将本文中所述那样获取的两个差拍信号混频，以便抑制连续波激光的影响，并且提供两条频率梳谱线之间的时钟差拍信号(n f_rep1+f₀₁-m f_rep2-f₀₂)。优选地选择n和m，以使(n f_rep1+f₀₁-m f_rep2-f₀₂)大于奈奎斯特准则所决定的采样频率(Max(f_rep1，f_rep2))。具有随时间改变的周期的这个正弦波的特定标记(例如但不强制为零交叉)被用于触发在采集单元508上对干涉信号的数据采集。该干涉信号来自于频率梳1与2的全部(或经滤波的部分)光谱之间的差拍信号。在快速光检测器507上测量并在采集单元508上监测该差拍信号。可以将电子滤波器和放大器插入在507与508之间以改进信噪比。另选的是，还如图5所示，这个(n f_rep1+f₀₁-m f_rep2-f₀₂)频率信号可以用作采集单元508的时钟。采集单元508例如可以是安装在个人计算机上的高速数字化器。接着，例如将数据点存储在该计算机的硬盘驱动器上或者将数据点在现场可编程门阵列上进行共加(coadd)或者在存储之前对数据点直接进行傅里叶变换。

根据本实施方式的针对吸收样本的傅立叶光谱法的具体示例，两个掺铒光纤激光器以大约100MHz的重复率和20mW输出功率发射脉冲。将两个频率梳的重复率之间的差异设置成等于150Hz的值。将每一个频率梳的重复率稳定至石英振荡器，但不稳定各个频率梳的载波包络偏移。利用50-50合束器重组这两个频率梳，并且为改进测量动态性而测量干涉仪的两个输出，下面将予以说明。利用自制的电子器具和采集系统来放大该信号并将其数字化。图6示出了在不使用本发明的情况下获取的光谱。谱线由于相位误差而强烈失真。根据图7中示出的详细方案，按照图5显示的原理，以1557.4nm进行发射的自由振荡连续波掺铒光纤激光器与每一个频率梳产生差拍。在图7中，将连续波掺铒光纤激光器以光学方式隔离并借助于50/50光纤耦合器将其射束分裂成两个部分。位于频率梳1的输出处的射束的一部分探测由气相的乙炔组成的样本。该部分在检测器上与射束的位于频率梳2的输出处的一部分产生差拍，并且利用采集单元(其可以由数字化器和用于对干涉信号进行滤波和和放大的适当电子装置组成)来监测差拍信号。将频率梳1的射束的另一部分引导到差拍检测单元中，其中，该部分的谱线与来自连续波激光器的射束发生振动。差拍检测单元是用于测量两个光束之间的射频差拍信号或微波差拍信号的装置。差拍检测单元存在于快速光检测器中并且例如是用于对一个或两个光束进行平衡、偏振、滤波的光学器件和用于对所生成的电信号进行滤波的电子装置。在这个差拍检测单元的输出处，生成了与频率梳1的单条谱线与连续波激光之间的拍音相对应的频率为42MHz的电信号，该电信号被滤波、放大并导向混频器。按类似方式，以118MHz的频率生成频率梳2的一条谱线与连续波激光器之间的差拍信号，并且将该信号导向混频器的第二输入。因此，以76MHz的频率在混频器的输出处传递了来自各个频率梳的两条单独谱线之间的差拍信号。将该差拍信号滤波、放大并用作利用采集单元对干涉信号进行采样的时钟。图8示出了在将这个76MHz的信号用作采集单元的时钟时所测量的光谱，使用16位180M次采样/s数字化器作为该采集单元。在图8的光谱上失真并不显著。

可以利用另选构造来生成两个频率梳之间的时钟差拍信号。例如，第二实施方式可以取决于光学滤波而不使用同步方案中的连续波激光器。如图9所示，可以利用光学滤波器或光纤布拉格光栅或法布里-泊罗谐振腔或这些项的任意组合来对各个频率梳进行频率滤波。两个被滤波的频率梳在快速光电二极管上产生差拍。在进行恰当的电子滤波之后，时钟差拍信号(n f_rep1+f₀₁-m f_rep2-f₀₂)被用作采集单元的时钟或触发器。

下面描述了本发明的其它方面。这些方面可以与干涉仪的上述第一和第二实施方式组合使用，或者可以单独使用。

根据针对吸收样本的频率梳傅里叶变换光谱法的具体示例，可以使用本发明的上述第一和第二实施方式。如图10所示，可以实现若干种光学构造。在图10A中，仅频率梳FC 1与样本1000相互作用。可以直接探测样本1000或者可以将其插入单次通过测试容器(single pass cell)内部或多次通过测试容器(multipass cell)内部，或者将其插入与频率梳FC 1谐振的高精细度谐振腔(high finesse cavity)内部。在射束组合器上重组来自频率梳FC 1和FC 2的两个射束。可以使用射束组合器的一个或两个输出来测量快速光检测器上的干涉信号。该检测器可以包含简单的光检测器(光电二极管、辐射热计、天线)或耦接至光检测器的非线性频率转换器(例如，倍频装置)。该检测器可以是麦克风。在图10B中，两个频率梳FC1和FC2均与样本1000相互作用。针对同时的吸收和色散测量，干涉仪的光学布局可以如图10C中显示地那样来实现。两个频率梳FC1和FC2具有稍微不同的线距。这些频率梳中的一个频率梳FC1传播透过测试容器且针对第二频率梳成拍，生成包含与频率梳FC1的每一条谱线所经历的吸收和色散有关的信息的降频转换射频梳。恰当的光学器件向两个干涉仪发送该频率梳射束。探测样本的干涉仪包含该测试容器并且导致样本干涉图I₁(t)，而不具有样本的用作基准的干涉仪提供标准干涉图(I₂(t))。同时测量两个干涉图(具有和不具有样本)并且利用复数傅里叶变换进行计算。这两个光谱的复数比的相位和模分别给出由样本施加在被检测的辐射上的相移和衰减，提供了对介质的光学制约、该介质的折射率和吸收系数的完整特征的了解。另选的是，在数字化之前，可以直接利用恰当的差分放大器来测量两个干涉图I₁(t)与I₂(t)之间的差异。在这种情况下，仅测量具有样本的光谱特征的干涉图，得到了改进的信噪比。

频率梳与样本相互作用并且经历因吸收和色散而造成的衰减和相移。这种相互作用可以写为exp(-δ(ω)-iφ(ω))，其中，δ是振幅衰减并且φ是相移。采取以下约定：δ_i，n和φ_i，n表示频率梳i(i＝1或2)在频率f_0，i+n f_rep，i处经历的相应分量。如图10A所示，仅频率梳FC1与样本1000相互作用。干涉图I的表达式包含以下关注项：

等式(1)的第一项表示在频率((f_0，1-f_0，2)+anf_rep2)处降频转换了频率f_0，1+n f_rep，1处的光谱信息。该干涉图类似于传统FTS的干涉图。对频率f_rep，2处的信号进行同步检测不是受关注的，因这种同步检测未带来附加信息。

如图10B所示，两个频率梳FC1和FC2也可以均与样本1000相互作用。该干涉图的表达式(2)包含以下关注项：

表达式(2)的第一行是在没有同步检测的情况下通过直接检测干涉图而测量出的量。与从等式(1)的干涉图获取的相比，因为两个频率梳FC1和FC2经历了与样本的相互作用，所以这种检测更加灵敏，但仪表线形由于其频率依赖性而更加复杂：随着频率增高，两个频率梳的频率之间的差异也增大。而且，由于同相和正交检测而可以获取在f_rep，2频率处的同步检测，因此吸收和色散可能受到关注。

任何干涉图在其最大样本与最小样本之间可以呈现大约10⁶的比率。利用图11中示出的干涉图例示了干涉信号作为时间的函数的很大的降低。结果，与傅里叶变换光谱法相关的主要困难(特别是在高光谱分辨率方面，但不仅限于此)之一是由于测量的有限动态范围而导致的。在频率梳傅里叶变换光谱法中，直流分量I₀不再是常数，而是变为与脉冲重复率的傅立叶分量关联起来的时间t的函数I₀(t)。因此，难以令人满意地通过电子滤波消除这一问题，因为这可能严重地劣化采样。重要的技术考虑是，现今，性能最好的快速采集板(fast acquisition board)提供16位的有限动态范围(即，65538个不同测量等级)，其本质上表现出了模数转换器的特征。结果，记录过程不能直接利用市售产品。

具体示例实施方式提供了一种动态范围解决方案，该动态范围解决方案是若干个点的组合。如图12所示，均衡并减去在干涉仪的两个输出A和B处传递的快速检测器信号I_A和I_B以去除未调制背景，而仅获取干涉图的已调制的部分。实际上，通过使差异信号(G_A I_A-G_B I_B)减到最小，在实验前确定了分别应用于I_A和I_B的两个电子增益G_A和G_B。在实验中，这些增益是固定的。取决于使干涉信号最大程度适合于采集单元的最大输入值的时间，向差异信号应用了不同的电子增益G_T。

该增益可以实时切换或者可以将几个记录通道用于随后的选择。另选的是，由计算机程序按预定方式做出增益变化。在该后一情况下，通过计算机程序随后选择最佳测量样本，并且将最终值G_T(G_A I_A-G_B I_B)归一化以恢复良好测量的整个干涉图。如在下面讨论的，可以在数字化之前执行同步检测。

根据本发明的具体实施方式，以频率重复率f_rep同步检测两个接收器测量出的信号A和B，由于f_rep通常位于射频范围0.1GHz至5GHz中，因此当与在大约20kHz的声音频率处检测干涉图的目前最好的市售干涉仪相比时，该时域方法显著减少了技术噪声。从等式(2)可以看出，一次就从同相和正交射频信号的傅里叶变换得出吸收和色散参数。该方法与利用可调谐激光器的调频光谱法相似。该方法具有宽带覆盖率、最佳调制指数和不需要外部调制的附加益处。

本发明还可以适于如下的选择性光谱方法。

首先，速度调制旨在选择性地检测原子离子或分子离子的跃迁。利用频率梳傅里叶变换光谱法，可以如图13所示地实现不同的方案。图13A和图13B利用直流放电1300。中性物质(neutral species)对电场不敏感，而离子由于电场而获得净漂移速度。这个速度的影响在于，离子的跃迁频率被多普勒移位。可以将如图13A所示的每一个频率梳或者如图13B所示的频率梳中的仅一个频率梳分裂成两个相反的传播射束，以便形成两个干涉仪。两个所得干涉图或光谱之间的差异(其可以通过如图13A和图13B所示的差动检测(其中，根据本发明的具体实施方式来使用两个干涉仪的两个输出，分别为S1和S2以及S3和S4)或随后得到)带来了选择性信息，所有离子频率在一个光谱中蓝移，而所有离子频率在另一个光谱中红移。该光谱抑制了所有中性信号和系统误差，仅余下了离子跃迁的两个多普勒移位分量。

图13C和图13D示出了按照取决于干涉图的放电调制或记录时间的频率速率的相对多普勒移位来获取两个干涉图的交流调制放电1301。按交流调制的同步检测取消中性特征。注意到，图13A、图13B、图13C、图13D所示的双重差动检测方案对于信噪比改进是优选的但非强制性的。对于图13A或图13B的方案中的选择性检测来说，考虑例如检测器S1与S3(或S2与S4)处测量出的干涉图之间的差异或所得光谱之间的差异就足够了。对于图13C或图13D的方案中的选择性检测来说，仅考虑检测器S1(或S2)处的信号就足够了。

其次，可以执行塞曼光谱法。在如图14A所示的第一方案中，与源1401相互作用的磁场1400周期性地变化。在同步检测或差动检测后，仅检测因磁场造成的频移跃迁。然而，必须考虑塞曼分裂的对称：必须调制B_C+B_M与B_C-B_M之间的场，其中，B_C和B_M是磁场的两个恒定值。B_C可以等于B_M，但不能为零，否则将检测不到信号变化。另选的是，如图14B所示，可以将频率梳射束分裂成两个射束以进行差动检测，其中一个射束探测具有恒定磁场B_C+B_M的测试容器1402，而另一个射束探测具有恒定磁场B_C-B_M的测试容器1403。由于是针对速度调制的情况，优选但非强制地使用干涉仪的两个输出来实现选择性检测。在图14A中，可以仅测量检测器S1(或S2)处的信号。在图14B中，考虑例如在检测器S1与S3(或S2与S4)处测量出的干涉图之间的差异或所得的光谱之间的差异就足够了。

与塞曼光谱法类似的是，可以施加并调制电场以选择性地检测对斯塔克效应敏感的跃迁。

第三，可以如图15所示那样实现针对偏振调制频率梳傅里叶变换光谱法的不同方案。如图15A图示的那样，能够对一个(如图15A所示，利用探测样本1501的频率梳FC1)或两个频率梳FC1和FC2使用偏振调制器1500，并且利用给定的偏振快速连续地测量一个干涉图并利用另一偏振测量第二个干涉图，接着将它们相减。如图15B所示，还可以利用偏振器1502和1503提供互补偏振以将一个(图15B中的FC1)或两个频率梳射束分裂成两个射束。来自图15B中的FC1的两个射束探测样本1504并且如图15B所示的那样执行直接差动检测。另选地，可以获取两个干涉图并且随后相减。偏振调制对选择性地检测偏振敏感跃迁是有用的。也可以将其称作线性(s与p偏振之间的比较)或振动圆二色性(比较左圆偏振辐射和右圆偏振辐射)。研究主题的一些示例是固态膜、液晶中的分子的手性分子或分子的取向，或顺磁性物质的塞曼跃迁。两种偏振状态的辐射吸收之间的差异通常极小。想法是快速连续地比较从样本与在两种不同状态中偏振的光的相互作用产生的光谱。在图15中，使用干涉仪的两个输出是本发明的具体示例实施方式。如针对速度和塞曼调制已经提到的那样，可以使用图15A的构造中的单个检测器S1或S2。在图15B中，考虑例如检测器S1与S3(或S2与S4)处测量出的干涉图之间的差异或所得光谱之间的差异是足够的。

本发明还可以适于如下所述的时间解析应用。在常规光谱法中，时间解析的傅里叶变换光谱法是用于研究动态现象的有力工具，具有傅里叶变换光谱法的所有公知优点，特别是是观察的宽光谱区。它对所观察样本的在每个光程差位置被激励的演变执行时间采样。在实验结束时，由于获得并变换了与源的演变的时间样本一样多的干涉图以提供光谱，因此每一个干涉图都表征了一给定时间的光源。然而，主要限制是所观察的样本的必须表现得充分重复且可再现。

用于动态研究的时间解析频率梳傅里叶变换光谱法可以克服这个限制。根据查看的时间分辨率，可以实现各种方案。而且，由于高分辨率光谱的采集时间仅为1毫秒左右或者对于低分辨率信息来说甚至仅为1微秒左右，因此以本发明提供了实时宽带光谱法或单一事件光谱法的方法。

对于比用于测量整个干涉图所需的时间更糟糕的时间分辨率来说，测量原理是直接的。该原理包括顺序地测量干涉图。通过改变频率梳中的一个的重复率以便引起在来自两个频率梳的激光器脉冲交叠时出现的猝发，能够将时间分辨率提高几微秒。频率梳中的一个的重复率的这种变化例如可以通过利用压电式换能器调制激光谐振腔中的一个的长度来实现。如果源表现得重复，则可以将这种方法重复若干次以改善信噪比。

当源的时间分辨率或重复率不能配合最佳采样要求时，则必须开发特定采样和同步方案。想法是通过调节两个频率梳之间的频率差异来降低干涉图采样率，以满足源操作条件。

如果希望时间分辨率高于从两个频率梳之间的最优频率差异产生的各个单独的干涉图的采样步骤并且如果关注的源具有高重复率，则能够执行对时域干涉图的高频采样并且之后能够重新排列样本以生成若干个干涉图，这些干涉图中的每一个都表征了源在给定时间的吸收。接着，该源必须同步到第一时间样本干涉图的采样步骤。

本发明还可以适于如下所述的反射测量。根据频率梳傅里叶变换光谱法，能够观察被样本反射的光而不观察样本透射的光。样本可以是大件材料、存在于平坦反射表面上的材料层(比频率梳辐射的波长薄或厚)。

而且，衰减的全反射使能利用非常容易的样本制备来探测液相或固相的样本。探测光束以在与样本直接接触的内表面上反射至少一次的方式穿过适当选择的晶体。这种反射形成延伸进入样本中(通常为几微米)的隐失波(evanescent wave)。来自各隐失波的衰减能量被传递回光束并且被晶体透射的光束在其从该晶体出射时被傅里叶变换光谱法的第二频率梳收集。衰减全反射频率梳傅里叶变换光谱法还可以利用探测晶体/样本组合体的两个频率梳来实现。

本发明还可以被修改成如下所述的空间解析测量。

首先，由于激光束的截面可以较小，因此可以选择性地探测肉眼可见的样本的微小空间区域。

其次，利用频率梳傅里叶变换光谱法映射样本的成分的有效方式是利用阵列检测器同时测量所有的傅里叶变换光谱。利用恰当的光学器件使对象在阵列检测器上成像。从图像的各个点对光谱进行同时测量带来了超光谱成像。

第三，利用频率梳傅里叶变换光谱法的显微术集合了利用傅里叶变换光谱学的显微术和利用激光源的显微术的优点。除了准确的光谱诊断和极短测量时间以外，可以一起得到空间分辨率的提高。

第四，由于激光束的低发散性和高强度，因此频率梳傅里叶变换光谱法可以探测长列样本。另选的是，在到达所关注样本之前，激光束可以传播很长的距离。还可以实现光检测和测距类型的频率梳傅里叶变换光谱法实验：可以利用第二频率梳收集并分析来自强频率梳的样本散射光。

Claims (11)

1.一种干涉仪(1)，该干涉仪包括：

第一频率梳发生器(FC1)；

适于与所述第一频率梳发生器(FC1)相互作用以便生成干涉(I)的第二频率梳发生器(FC2)；

其中，所述干涉仪包括用于将所述第一频率梳的第一单条谱线和所述第二频率梳的第二单条谱线隔离的装置(3、4)和用于根据所述第一单条谱线与所述第二单条谱线生成至少一个差拍信号的差拍装置。

2.根据权利要求1所述的干涉仪，该干涉仪还包括第一外部光学基准发生器和第二外部光学基准发生器，其中，所述差拍装置适于生成所述第一单条谱线与所述第一外部光学基准的第一差拍信号以及所述第二单条谱线与所述第二外部光学基准的第二差拍信号。

3.根据权利要求1所述的干涉仪，其中，所述差拍装置被设置为生成所述第一单条谱线与所述第二单条谱线的差拍信号。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的干涉仪，其中，所述隔离装置包括光学滤波器和/或光纤布拉格光栅和/或法布里-泊罗标准具和/或电子滤波。

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的干涉仪，其中，所述隔离装置包括连续波激光器，该连续波激光器适于与所述第一频率梳发生器和所述第二频率梳产生差拍。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的干涉仪，该干涉仪还包括测量装置，该测量装置适于根据权利要求1中限定的所述差拍信号来触发对所述干涉的数据采集。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的干涉仪，该干涉仪还包括测量装置，该测量装置适于使用权利要求1中限定的所述差拍信号作为针对所述干涉的数据采集的时钟。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的干涉仪，该干涉仪具有两个输出(A、B)和用于差动地测量所述两个输出的装置。

9.一种用于测量样本的光谱的光谱分析装置，该光谱装置包括根据前述权利要求中的任一项所述的干涉仪，所述第一频率梳发生器和所述第二频率梳发生器中的至少一个适于与所述样本相互作用。

10.根据前述权利要求所述的光谱分析装置，其中，所述第一频率梳发生器和所述第二频率梳发生器中的仅一个适于与所述样本相互作用。

11.根据权利要求8所述的光谱分析装置，其中，所述第一频率梳发生器和所述第二频率梳发生器适于与所述样本相互作用。

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