CN111579519A - 中红外高重复频率双光梳超快二维单次激发相干测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种中红外高重复频率双光梳超快二维单次激发相干测量系统。所述测量系统包括第一高重复频率中红外光梳、第二高重复频率中红外光梳、声光偏转器、样品池、高速探测器、二维单次激发扫描信号解码模块和光谱还原模块。本发明使用重复频率大于1GHz的中红外锁模激光器作为光源，在双光梳的基础上加入了二维单次激发声光偏转器（2D‑AOD）技术，利用声光偏转效应实现对样品的实时二维光谱检测，并通过解码得到二维的光谱或者图像信息，达到高速、高精度光谱测量的目的。本发明在样品高速成像、光谱探测、超快测量等领域有着广泛的应用。
Description
技术领域
本发明涉及超快光谱测量领域，具体涉及一种中红外高重复频率双光梳超快二维单次激发相干测量系统。
背景技术
光学频率梳（以下简称“光梳”）的本质是一连串高稳定的锁模脉冲序列。通过将锁模脉冲进行频率和相位锁定，脉冲序列的稳定性可达到与原子钟相同的量级。作为一把精密稳定的频率标尺，光梳在成像与测量领域一直发挥着重要的作用。通过将微波频率与光学频率建立联系，光梳能让距离测量的精度轻松达到纳米量级，时间测量的精度达到飞秒甚至是阿秒。
双光梳测量系统，是在光梳基础上，利用脉冲的高传播速度和光梳的高相干性，达到快速精密采样和实时测量的目的。与传统的傅里叶变换系统相比，由于取消了后者所必须的机械扫描，双光梳系统具有更高的稳定性和采样速率。以傅里叶变换光谱仪为例，传统的傅里叶变换光谱仪分辨率最高为几十兆赫兹（Jacquet, Patrick, et al. "Frequencycomb Fourier transform spectroscopy with kHz optical resolution." FourierTransform Spectroscopy. Optical Society of America, 2009），而双光梳光谱仪能轻松达到千赫兹量级，精度较前者提高了将近四个数量级。
目前的双光梳测量系统，还局限在逐点空间扫描阶段，未能完全发挥双光梳系统本身具有的快速测量优势。本发明使用高重复频率中红外锁模激光器作为光源，在双光梳的基础上加入了二维单次激发声光偏转技术（2D-AOD），利用声光偏转效应实现二维频率编码，并对样品进行二维单次激发扫描，通过解码得到样品的二维光谱或图像信息，达到高速、高精度成像测量的目的。
发明内容
本发明使用高重复频率中红外锁模激光器作为光梳源，在传统双光梳系统中加入了二维单次激发扫描声光偏转技术，通过二维编码光束的调试解码，实现样品的实时二维光谱信息的直接获得。
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
中红外高重复频率双光梳超快二维单次激发相干测量系统，包括第一高重复频率中红外光梳、第二高重复频率中红外光梳、声光偏转器、样品池、高速探测器、二维单次激发扫描信号解码模块和光谱还原模块；
其中，第一高重复频率中红外光梳和第二高重复频率中红外光梳的输出的锁模脉冲信号同时输入到声光偏转器中，产生具有低三阶互调失真的频率编码二维激光光束阵列；声光偏转器输出的光信号分为两路，一路输入样品池，得到样品的二维光谱信号，另一路作为参考信号，通过延迟光路后与样品的二维光谱信号空间重合进行干涉，然后通过高速探测器收集相干信号，使用二维单次激发扫描信号解码模块对二维单次激发的相干信号进行调制解码，最后通过光谱还原模块将解码信号还原为二维光谱图像。
进一步地，所述第一高重复频率中红外光梳的第二高重复频率中红外光梳的重复率被锁定在两个稳定的频率参考源上；其中，第一高重复频率中红外光梳的重复率为f，第二高重复频率中红外光梳的重复率为f+Df，则两光梳之间的频率差Df远小于超短脉冲的重复频率，Df<1MHz，f>1GHz。
进一步地，所述声光偏转器为二维单次激发扫描声光偏转器（2D-AOD）。
进一步地，一路二维激光光束阵列输入至样品池中对样品进行二维单次激发扫描，得到样品的二维光谱信号。
相比于现有技术，本发明的优点在于：
本发明的核心部件为二维单次激发扫描声光偏转器和高重复频率中红外光梳。高重复频率中红外双光梳让高精度中红外光谱测量成为了可能，二维单次激发扫描声光偏转技术则实现了样品高速二维扫描。本发明可应用在超快测量、超快成像等领域。
附图说明
图1为本发明实施例中中红外高重复频率双光梳超快二维单次激发相干测量系统的结构示意图。
图2为本发明实施例中二维单次激发扫描声光偏转技术的示意图。
图3为本发明实施例中的光路示意图。
具体实施方式：
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图并举实施例，对本发明的具体实施进行详细说明。
实施例：
中红外高重复频率双光梳超快二维单次激发相干测量系统，如图1所示，包括第一高重复频率中红外光梳1-1、第二高重复频率中红外光梳1-2、声光偏转器1-3、样品池1-4、高速探测器1-5、二维单次激发扫描信号解码模块1-6和光谱还原模块1-7；
其中，第一高重复频率中红外光梳1-1和第二高重复频率中红外光梳1-2的输出的锁模脉冲信号同时输入到声光偏转器1-3中，产生具有低三阶互调失真的频率编码二维激光光束阵列；声光偏转器1-3输出的光信号分为两路，一路输入样品池1-4，得到样品的二维光谱信号，另一路作为参考信号，通过延迟光路后与样品的二维光谱信号空间重合进行干涉，然后通过高速探测器1-5收集相干信号，使用二维单次激发扫描信号解码模块对二维单次激发的相干信号进行调制解码，最后通过光谱还原模块1-7将解码信号还原为二维光谱图像。
所述第一高重复频率中红外光梳1-1的第二高重复频率中红外光梳1-2的重复率被锁定在两个稳定的频率参考源上；其中，第一高重复频率中红外光梳1-1的重复率为f，第二高重复频率中红外光梳1-2的重复率为f+Df，则两光梳之间的频率差Df远小于超短脉冲的重复频率，Df<10MHz，f>1GHz。
所述声光偏转器1-3为二维单次激发扫描声光偏转器（2D-AOD），图2为2D-AOD的示意图。
一路二维激光光束阵列输入至样品池1-4中对样品进行二维单次激发扫描，得到样品的二维光谱信号。
本实施例中，具体的光路如图3所示，锁定的光梳3-1与光梳3-2发出的脉冲光沿图2箭头方向入射进2D-AOD 3-3，通过改变加载在2D-AOD上的射频信号，2D-AOD将单束脉冲激光偏转为频率编码的二维激光束阵列信号。之后，反射镜3-4将二维激光束阵列信号打到第一空间分束器3-5上，将阵列信号分为两路。两路信号的其中一路通过透镜3-6汇聚在第一准直镜3-7-1上并经过样品池3-8，获得样品的二维光谱信息。使用第二准直镜3-7-2、透镜3-9和反射镜3-10，让携带样品信息的信号光打到第二空间分束器3-11上，与作为参考信号的另一路脉冲光重合。通过调节参考信号的延迟距离，使样品信号光与参考信号重合并进行干涉。干涉信号在经过透镜3-12汇聚后被高速光电探测器3-13接收，经过二维光谱信号调制解码模块，最终还原出样品的二维光谱信息。
上述实施例为本发明的实施方式之一，但本发明的实施方式并不受所述实施例与测试例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.中红外高重复频率双光梳超快二维单次激发相干测量系统，其特征在于，包括第一高重复频率中红外光梳（1-1）、第二高重复频率中红外光梳（1-2）、声光偏转器（1-3）、样品池（1-4）、高速探测器（1-5）、二维单次激发扫描信号解码模块（1-6）和光谱还原模块（1-7）；
其中，第一高重复频率f1中红外光梳（1-1）和第二高重复频率f2中红外光梳（1-2）的输出锁模脉冲信号，同时输入到声光偏转器（1-3）中，产生具有低三阶互调失真的频率编码二维激光光束阵列；声光偏转器（1-3）输出的光信号分为两路，一路输入样品池（1-4），得到样品的二维光谱信号，另一路作为参考信号，通过延迟光路后与样品的二维光谱信号空间重合进行干涉，然后通过高速探测器（1-5）收集相干信号，使用二维单次激发扫描信号解码模块（1-6）对二维单次激发的相干信号进行调制解码，最后通过光谱还原模块（1-7）将解码信号还原为二维光谱图像。
2.根据权利要求1所述的中红外高重复频率双光梳超快二维单次激发相干测量系统，其特征在于，所述第一高重复频率中红外光梳（1-1）的第二高重复频率中红外光梳（1-2）的重复率被锁定在两个稳定的频率参考源上；其中，第一高重复频率中红外光梳（1-1）的重复率为f，第二高重复频率中红外光梳（1-2）的重复率为f+Df，则两光梳之间的频率差Df远小于超短脉冲的重复频率，Df<10MHz，f>1GHz。
3.根据权利要求1所述的中红外高重复频率双光梳超快二维单次激发相干测量系统，其特征在于，所述声光偏转器（1-3）为二维单次激发扫描声光偏转器（2D-AOD）。
4.根据权利要求1所述的中红外高重复频率双光梳超快二维单次激发相干测量系统，其特征在于，一路二维激光光束阵列输入至样品池（1-4）中对样品进行二维单次激发扫描，得到样品的二维光谱信号。
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