TW201518696A - 光譜系統以及基於梳的光譜法的方法 - Google Patents
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Abstract
本發明提供光譜系統以及基於梳的光譜法的方法。光源產生對應於頻梳的光。稜鏡腔室光學耦合至光源。稜鏡腔室接收產生的光且產生第一以及第二輸出光。第一輸出光與接收的光在稜鏡腔室內的反射相關聯。第二輸出光與接收的光穿過稜鏡腔室的稜鏡的透射相關聯。耦合系統耦合至光源以及稜鏡腔室。耦合系統基於第一輸出光以及第二輸出光中的至少一者來調整光源或稜鏡腔室中的至少一者的特性。特性經調整以增加光源與稜鏡腔室之間的光學耦合,且補償稜鏡腔室的色散。
Description
本申請案是關於2013年9月11日申請的題為「使用稜鏡腔室之腔室增強型頻梳光譜系統(CAVITY-ENHANCED FREQUENCY COMB SPECTROSCOPY SYSTEM EMPLOYING A PRISM CAVITY)」的美國臨時申請案第61/876,266號且主張所述美國臨時申請案的權利,所述申請案的內容以引用的方式併入本文中。
本發明是關於超寬頻以及快速分子光譜法,更具體言之,是關於使用高色散稜鏡腔室的腔室增強型頻梳光譜系統以及方法,其具有用於偵測痕量級(trace level)之分子的高敏感度。
光譜法為物質與輻射能量之間的相互作用的研究。已知光譜法被用於物理、化學、生物學及環境科學中之許多應用。一
些當前光譜系統使用頻梳作為光源。一般而言,頻梳為頻域光譜包含一連串離散、相等間隔的元素(頻率線)的光源。在時域中,頻梳發射具有載波頻率以及重複速率之一串光學脈衝。頻梳源可用於光譜法應用,因為所述頻梳源可提供分子樣本的同時廣泛光譜涵蓋範圍(例如,大約數百至數千條頻梳線的光譜涵蓋範圍)以及高解析度(例如,通常優於約10MHz的光學解析度)、寬頻帶量測。
本發明是關於一種腔室增強型頻梳光譜系統。所述系統包含光源、稜鏡腔室以及耦合至所述光源及所述稜鏡腔室的耦合系統。所述光源經組態以產生對應於頻梳的光。所述稜鏡腔室光學耦合至所述光源。所述稜鏡腔室經組態以接收所述產生的光且產生第一輸出光以及第二輸出光。所述第一輸出光與所述接收的光在所述稜鏡腔室內的反射相關聯。所述第二輸出光與所述接收的光穿過所述稜鏡腔室的稜鏡的透射相關聯。所述耦合系統經組態以基於所述第一輸出光以及所述第二輸出光中的至少一者來調整所述光源或所述稜鏡腔室中的至少一者的特性。所述特性經調整以增加所述光源與所述稜鏡腔室之間的光學耦合且補償所述稜鏡腔室的色散。
本發明亦有關於一種腔室增強型基於梳的光譜法的方法。所述方法包含由光源產生對應於頻梳的光且將所述產生的光引導至稜鏡腔室,使得所述稜鏡腔室產生第一輸出光以及第二輸出光。所述第一輸出光與所述產生的光在所述稜鏡腔室內的反射
相關聯。所述第二輸出光與所述產生的光穿過所述稜鏡腔室的稜鏡的透射相關聯。所述方法亦包含基於所述第一輸出光以及所述第二輸出光中的至少一者來調整所述光源或所述稜鏡腔室中的至少一者的特性。所述特性經調整以增加所述光源與所述稜鏡腔室之間的光學耦合且補償所述稜鏡腔室的色散。
100‧‧‧實例稜鏡腔室增強型光譜系統
102‧‧‧頻梳
104‧‧‧稜鏡腔室
106‧‧‧偵測系統
108‧‧‧梳-腔室耦合系統
300‧‧‧實例稜鏡腔室增強型光譜系統
302‧‧‧偏光器
302'‧‧‧偏光器
304a‧‧‧逆向反射稜鏡
304b‧‧‧逆向反射稜鏡
305a‧‧‧表面
305b‧‧‧表面
306‧‧‧轉向光學器件
307‧‧‧表面
308‧‧‧頻率產生器
310‧‧‧電光調變器
312‧‧‧光柵/色散元件
314-1‧‧‧鎖定偵測器
314-2‧‧‧鎖定偵測器
316-1‧‧‧鎖相伺服機構/鎖相伺服機
316-2‧‧‧鎖相伺服機構/鎖相伺服機
320‧‧‧入射光脈衝
322‧‧‧經P偏光的光/經偏光的光
324‧‧‧入射光/經調相的光
326‧‧‧腔室輸出光
328‧‧‧光學誤差信號
330-1‧‧‧第一繞射信號
330-2‧‧‧第二繞射信號
400‧‧‧實例稜鏡腔室增強型光譜系統
402‧‧‧四分之一波板
404-1‧‧‧光束分光器
404-2‧‧‧光束分光器
406-1‧‧‧S偏光偵測器
406-2‧‧‧S偏光偵測器
408-1‧‧‧P偏光偵測器
408-2‧‧‧P偏光偵測器
410-1‧‧‧差動放大器
410-2‧‧‧差動放大器
420‧‧‧入射光脈衝
422‧‧‧近p偏光的光/經偏光的光
426‧‧‧腔室輸出光
428‧‧‧光學誤差信號
430‧‧‧經橢圓偏光的信號
432-1‧‧‧第一繞射信號
432-2‧‧‧第二繞射信號
500‧‧‧實例稜鏡腔室增強型光譜系統
502‧‧‧掃掠產生器
504-1‧‧‧鎖定偵測器
504-2‧‧‧鎖定偵測器
506‧‧‧波峰鎖定伺服機
508‧‧‧光束分光器
520‧‧‧入射光
522‧‧‧經P偏光的光/經偏光的光
526‧‧‧腔室輸出光
528‧‧‧光學誤差信號
602‧‧‧掃掠信號
604‧‧‧信號
606‧‧‧信號
700‧‧‧頻率區域
702‧‧‧頻率區域
704‧‧‧頻率區域
706‧‧‧梳頻域光譜
708‧‧‧腔室透射頻域光譜/腔室透射率
802‧‧‧頻梳掃掠信號/快速線性掃掠
804‧‧‧稜鏡腔室透射信號
806‧‧‧梳頻域光譜
808‧‧‧腔室透射頻域光譜/較低總透射率
L‧‧‧長度
v‧‧‧頻率
FSR‧‧‧自由光譜範圍
frep(t)‧‧‧隨時間變化之雷射重複率
l(t)‧‧‧隨時間變化之信號
l(v)‧‧‧頻域光譜
可在結合隨附圖式閱讀時自以下詳細描述理解本發明。強調,根據慣例,圖式的各種特徵/元件可能未按比例繪製。相反,為了清楚起見,可任意擴大或縮小各種特徵/元件的尺寸。此外,在圖式中,共同數字參考用以表示相似特徵/元件。圖式中所包含的為下列圖:
圖1為說明根據本發明之實施例的實例稜鏡腔室增強型頻梳光譜系統的功能方塊圖。
圖2A為說明實例稜鏡腔室的隨頻率變化之與標稱FSR之偏差的圖。
圖2B為說明實例稜鏡腔室的隨頻率變化之累積模式去諧的實例的圖。
圖3為說明根據本發明之實施例的具有電子鎖定方案的圖1中所示之實例光譜系統的功能方塊圖。
圖4為說明根據本發明之另一實施例的具有電子鎖定方案的圖1中所示之實例光譜系統的功能方塊圖。
圖5為說明根據本發明之實施例的具有掃掠耦合方案的圖1中所示之實例光譜系統的功能方塊圖。
圖6A、圖6B以及圖6C為說明根據本發明之實施例的圖5中所示之系統的各別掃掠及鎖定偵測器輸出信號的圖。
圖7A為說明根據本發明之實施例的針對經鎖定耦合方案之隨頻率變化之稜鏡腔室模式的實例的圖。
圖7B為說明根據本發明之實施例的針對經鎖定耦合方案之隨頻率變化之頻梳模式的實例的圖。
圖7C為說明根據本發明之實施例的當稜鏡腔室模式(圖7A)經由電子鎖定而鎖定至頻梳模式(圖7B)時的梳頻域光譜及腔室透射頻域光譜的實例的圖。
圖8A為說明根據本發明之實施例的針對掃掠耦合方案之隨頻率變化之稜鏡腔室模式的實例的圖。
圖8B為說明根據本發明之實施例的針對掃掠耦合方案之隨頻率變化之頻梳模式的實例的圖。
圖8C為說明根據本發明之實施例的針對掃掠耦合方案之隨時間變化之頻梳掃掠信號以及稜鏡腔室透射信號的實例的圖。
圖8D為說明根據本發明之實施例的針對掃掠耦合方案在圖8C中所示之各別時域信號的梳頻域光譜以及腔室透射頻域光譜的實例的曲線圖。
如上文所論述,近年來,頻梳由於其寬光譜涵蓋範圍與高分辨率能力之組合已顯現為用於光譜裝置的有前景的來源。在一組態中,可將頻梳與高精細度光學增強腔室一起使用以增加偵測敏感度。此方法被稱為腔室增強型直接頻梳光譜法
(cavity-enhanced direct frequency comb spectroscopy;CE-DFCS),且描述於Ye等人的美國專利第7,538,881號中。由兩個或兩個以上高反射性介電質鏡組成的鏡腔室常用於CE-DFCS。鏡通常經配置以形成線性腔室或環形腔室。反射性介電質鏡通常用於CE-DFCS中,因為:(1)鏡相對普通且市售,以及(2)鏡可經製造具有聚焦低色散,因此使可同時經由鏡腔室透射的光學頻寬中的頻率最大化。因此,介電質鏡看來是自頻梳源可得到之大光學頻寬的合理匹配。然而,介電質鏡具有關於其總透射頻寬的侷限性。鏡反射率可僅針對光譜的窄部分最佳化,通常比來自頻梳的最大可用頻寬小得多。
相比之下,與鏡腔室相比,使用基於全內反射的稜鏡的光學腔室在其反射頻段中提供寬得多的總頻寬。此因為稜鏡腔室是基於諸如全內反射以及布魯斯特(Brewster)角的光學效應,稜鏡腔室比介電質鏡對波長不敏感得多。基於稜鏡逆向反射器的光學腔室描述於Lehmann等人的美國專利第5,973,864號、第6,097,555號以及第6,172,823號中。
近來,已顯示可使用稜鏡達成與鏡腔室相當的精細度。一般而言,精細度為光學共振器的品質的量測。可將精細度定義為FSR/δv,其中FSR為自由光譜範圍(腔室的共振模式的波長相依間距),且δv表示腔室模式的線寬。高精細度光學腔室指能夠用於光學頻率(通常用於分子偵測)的共振器。通常將高精細度光學腔室定義為具有超過約一千的比率FSR/δv。
然而,稜鏡腔室並不顯得為供頻梳使用的良好匹配,儘管稜鏡腔室有大的總頻寬能力。此因為光束路徑的大部分位於稜
鏡材料(例如,石英玻璃(fused silica))內部,從而使稜鏡腔室經歷比鏡腔室高得多的色散。因此,與鏡腔室相比,可耦合至稜鏡腔室中的光學頻寬中的同時頻率的數目通常小。稜鏡腔室的頻寬可取決於稜鏡材料的色散性質、稜鏡大小以及所關注的波長而變化。歸因於稜鏡腔室之高色散性質,稜鏡腔室迄今尚未用於基於頻梳的光譜系統中。一般而言,已假定,稜鏡腔室的大腔室色散將為在CE-DFCS系統中使用的嚴重缺點。
本發明的態樣是關於腔室增強型頻梳光譜系統以及腔室增強型基於梳的光譜法的方法。實例光譜系統包含光源、稜鏡腔室以及耦合至光源及稜鏡腔室的耦合系統。光源(在本文中亦被稱作頻梳)經組態以產生對應於頻梳的光。稜鏡腔室光學耦合至光源。稜鏡腔室經組態以接收產生的光且產生第一輸出光以及第二輸出光。第一輸出光與接收的光在稜鏡腔室內的反射相關聯。第二輸出光(在本文中亦被稱作光學誤差信號)與接收的光穿過稜鏡腔室的稜鏡的透射相關聯。在一些實例中,第一輸出光經引導至偵測器以量測腔室透射率。耦合系統經組態以基於第一輸出光以及第二輸出光中的至少一者來調整光源或稜鏡腔室中的至少一者的特性。特性經調整以增加光源與稜鏡腔室之間的光學耦合且補償稜鏡腔室的色散。
本發明的態樣使用稜鏡腔室作為用於頻梳光譜法的光學增強腔室。由於稜鏡腔室的大的總頻寬(其在近紅外區域中可超過約1000nm),光譜裝置可經生產具有超寬頻寬(通常在近紅外區域中跨越約數百奈米)以及非常高的敏感度(通常比無增強腔室的直接偵測優於約2至4個數量級),儘管稜鏡腔室有高色
散。本發明的實例系統以及方法藉由使頻梳與稜鏡腔室之間的光學耦合最佳化來克服稜鏡腔室的高色散性質。在一些實例中,可將頻梳線間距動態地調整至稜鏡腔室的FSR(或反之亦然)。在一些實例中,頻梳線間距可靜態地鎖定至特定位置。在一些實例中,偵測系統可為分散的(例如,以利用高的總頻寬)。在一些實例中,偵測系統可包含單一頻道偵測器(例如,以利用自腔室的高色散產生的稜鏡腔室的光譜濾波能力)。此外,稜鏡腔室的色散性質可用作某些應用(諸如,光譜濾波)的益處。舉例而言,高色散之腔室可經組態為光譜濾光片,從而避免使用額外帶通濾光片或色散偵測系統。
本發明的實例稜鏡腔室增強型光譜系統可看作當前傅里葉變換紅外線光譜儀或氣體層析儀的替代。實例稜鏡腔室增強型光譜系統可針對寬頻寬、多物質偵測而組態,與目前使用的技術相比,速度以及敏感度增加。稜鏡腔室增強型光譜系統可用於包含(但不限於)以下各者的應用:化學製造中的線上製程監視、化學計量學、用於超低損耗塗層的分光光度法、多物質光譜法、化學動力學的研究等。
現參看圖1,圖示顯示實例稜鏡腔室增強型光譜系統100。系統100包含頻梳102、稜鏡腔室104、偵測系統106以及梳-腔室耦合系統108(在本文中亦被稱作耦合系統108)。系統100表示使用稜鏡腔室104的CE-DFCS系統。雖未在圖1中圖示顯示,但系統100可包含額外光學元件,諸如,偏光器(例如,圖3中所示之偏光器302)、轉向光學器件(例如,圖3中所示之轉向光學器件306)、波板(例如,圖4中所示之四分之一波板402)及/
或色散元件(例如,圖3中所示之光柵312)。系統100亦可包含額外電子元件,如下文關於梳-腔室耦合系統108(圖3至圖5)所進一步描述。頻梳102、稜鏡腔室104、偵測系統106與梳-腔室耦合/鎖定系統108之間的光學耦合可包含經由任何合適光學元件的自由空間耦合及/或光纖耦合。
在操作中,頻梳102產生朝向稜鏡腔室104引導(使用光纖光學器件及/或自由空間光學器件)的光脈衝。光脈衝經光學耦合至稜鏡腔室104中。如圖3中所示,稜鏡腔室104包含形成環形腔室的兩個逆向反射稜鏡304a、304b。來自頻梳102的入射光在稜鏡304a、304b內經歷內部反射。光中的一些(以對應於稜鏡腔室104的稜鏡腔室模式的一或多個頻率)在稜鏡304a、304b之間反射且在稜鏡腔室104中共振。在稜鏡腔室104中經反射的光的一部分退出稜鏡腔室104且經引導(使用光纖及/或自由空間光學器件)至偵測系統106。偵測系統106偵測以一或多個頻率自稜鏡腔室104輸出的光的強度(在本文中亦被稱作腔室透射率)。
若將樣本(未圖示顯示)置放於稜鏡腔室104內,則稜鏡腔室104內的光與樣本相互作用,從而允許梳頻率由樣本根據樣本組成區別地吸收。偵測系統106(或耦接至偵測系統106的分析器)可基於由樣本在一或多個頻率下對光的吸收而自量測的腔室透射率判定樣本的組成。舉例而言,在特定頻率下的腔室透射率的最小強度可指示由樣本在彼等頻率下對光的吸收。偵測系統106(或分析器)可將吸收發生所在的經識別頻率匹配至預定樣本組成(例如,儲存於資料庫中)。
偵測系統106可包含任何合適偵測器,例如,非色散偵
測器、色散偵測器或傅立葉變換偵測系統。在一實例中,非色散偵測器包含用於窄頻應用或慢調諧應用的單一頻道光偵測器。色散偵測器可包含(例如)單色器、繞射光柵、虛擬成像相控陣列(virtually imaged phased array;VIPA)光譜儀、中階光柵攝譜儀或用於量測一或多個頻率下之腔室透射率的任何其他色散偵測裝置,所述色散偵測器具有適合於具體應用的頻寬以及解析度。在一些實例中,傅立葉偵測系統可包含掃描干涉計(例如,在當前傅立葉變換紅外線光譜儀中所使用的,如Foltynowicz等人在物理評論通訊(Phys.Rev.Lett.)107,233002(2011)中所示)或雙梳方法(例如,如B.Bernhard等人在自然光子學(Nat.Photon.)4,55(2010)中所描述)。VIPA光譜儀的使用描述於Thorpe等人的應用物理學(Appl.Phys.)B 91,397(2008)或Adler等人的分析化學年評(Annu.Rev.Anal.Chem.)3,175(2010)。
頻梳102為發射寬頻帶輻射(通常,簡而言之,規則脈衝)的雷射源。典型的近紅外線頻梳發射具有範圍自約數十奈米至大於約1000nm(當使用非線性光譜變寬時)的頻寬的光譜。因此,脈衝的頻域表示包含寬頻帶總光譜涵蓋範圍,但具有窄光譜線的規則、梳狀之子結構(因此,名為頻梳)。在頻域中,頻梳之特性在於兩個參數:雷射重複率(f rep )以及梳偏移(f 0)。雷射重複率(f rep )為光脈衝自雷射(頻梳102)發射所用之速率且其判定個別梳線的間距。梳偏移(f 0)為判定頻梳102自零頻率至f rep 的整個偏移的參數。兩個參數經由v m =f 0+m f rep (其中m表示整數)判定每一梳線m的頻率(v m )。用於頻梳102的合適雷射源的實例包含(但不限於)模式鎖定的鈦(Ti)摻雜的藍寶石雷射(例
如,具有約0.4μm至1.2μm的波長範圍)、鐿(Yb)摻雜的飛秒光纖雷射(例如,具有約0.6μm至1.5μm的波長範圍)以及鉺(Er)摻雜的光纖(Er:光纖)雷射(例如,具有約1.0μm至2.2μm的波長範圍)。此處圖示顯示為實例的波長範圍可直接自梳源或經由包含用於頻率轉換或光譜變寬的另外元件(通常,非線性光學元件)而產生。
簡要地參看圖3,稜鏡腔室104為包含兩個逆向反射布魯斯特稜鏡304a、304b(替代通常用以形成光學腔室的鏡)的光學腔室之特殊形式。稜鏡304a、304b可自諸如(但不限於)石英玻璃、藍寶石、氟化鈣、氟化鋇、硒化鋅以及金剛石的任何合適的光學透明材料形成。稜鏡304a與304b間隔開長度L(亦被稱作腔室長度)且沿著共振器的光軸光學對準,以形成環形腔室。每一稜鏡304a、304b包含多個全內反射表面。貫穿稜鏡腔室104的光學路徑長度(針對一往返行程)可定義為2*L+[在稜鏡304a內部的路徑長度]*[稜鏡304a的折射率]+[折射率304b內部的路徑長度]*[稜鏡304b的折射率]。
布氏角(Brewster's angle)(亦叫作偏光角)為經P偏光的光在表面處無反射的情況下全部透射穿過透明介電材料(諸如,玻璃)所用的入射角。當未偏光的光以此角度入射時,入射光的一部分自表面反射,且其餘部分折射至材料中。光的自表面反射的部分全部經S偏光。光的經折射的部分包含P及S偏光分量。因此,對於未偏光的光,S偏光分量在材料中僅部分地折射(其中其餘部分自表面反射),且P偏光分量在材料中全部折射。因此,使穿過材料透射的光被部分偏光。
在操作中,來自頻梳102的光324經引導至稜鏡腔室104,以經由與布氏角(其中布魯斯特角相對於表面305a的法線)之小偏差(小於約幾度)入射於稜鏡304a的表面305a上。(布氏角(Brewster's angle)在本文中亦被稱作「布魯斯特角(Brewster angle)」)。此導致具有P偏光之光學輻射相對於布魯斯特角表面305a的小但受控制之反射損耗。稜鏡304b的表面305b亦經組態為布魯斯特角表面;經定位使得按布魯斯特角(相對於表面305b的法線)引導入射光及輸出光。耦合至稜鏡腔室104中的入射光324在每一稜鏡304a、304b內經歷全內反射反彈,且在稜鏡304a與304b之間反射。光在稜鏡腔室104中的部分326退出稜鏡304a的表面305a(在表面305a上與入射光234不同的位置處)。入射光324的一部分傳播穿過稜鏡304a(自表面305a),且穿過表面307退出稜鏡304a,作為光學誤差信號328。光學誤差信號328可用以控制頻梳102與稜鏡腔室104之間的耦合(下文關於圖3至圖5進一步描述)。藉由利用布魯斯特角以及全內反射,可將稜鏡腔室104的光學損耗保持在最小以允許高腔室精細度。歸因於表面品質以及稜鏡角的製造精確度,稜鏡腔室104的光學損耗可僅受到散射限制。
稜鏡腔室104的一特性為,光束路徑包含稜鏡材料的大部分(通常,腔室長度的約5%至10%)。因此,色散為當操作具有諸如頻梳102的寬頻帶源的稜鏡腔室104時的主要因素。歸因於色散,描述相鄰縱向腔室模式的距離的FSR是強烈頻率相依的。
圖2A為說明實例稜鏡腔室104的色散性質的圖。在此高色散腔室(亦即,稜鏡腔室104)中,FSR可隨頻率顯著地變化。
圖2A說明腔室FSR與近紅外線光譜區域中的標稱FSR的偏差對用於具有20mm的高度的石英玻璃稜鏡(用於稜鏡的典型材料以及大小)的光的頻率。將標稱腔室FSR設定至在200THz的頻率下為250MHz。
耦合系統108(圖1)經組態以藉由使頻梳102與稜鏡腔室104之間的光學耦合最佳化來管理稜鏡腔室104的色散且使用此色散。耦合系統108經組態以接收傳播穿過由稜鏡腔室104的至少一光學信號(諸如,圖3中的光學誤差信號328)且調整頻梳102及/或稜鏡腔室104的特性。在一些實例中,耦合系統108可將頻梳102的頻梳模式鎖定至下文關於圖3、圖4以及圖7A至圖7C所進一步描述的稜鏡腔室104的特定稜鏡腔室模式(亦即,鎖定方案)。在一些實例中,耦合系統108可將頻梳102之頻梳線間距動態地調整至稜鏡腔室104之FSR(或將稜鏡腔室104之腔室長度動態地調整至頻梳102之FSR),下文關於圖5以及圖8A至圖8D所進一步描述(亦即,掃掠耦合方案)。
參看圖2B進一步描述頻梳102至稜鏡腔室104的耦合。詳言之,圖2B為說明實例稜鏡腔室的隨頻率變化之實例累積模式去諧的圖。
為了一般理解,考慮頻梳102的重複率f rep 經調整至250MHz以匹配稜鏡腔室104的標稱FSR的靜態圖片。以此方式,在FSR匹配頻梳102的f rep 之情況下,最佳耦合可出現於200THz周圍。藉由在兩個方向上自最佳耦合整合FSR去諧,可計算腔室模式對等距的梳線的累積去諧。
於圖2B中在與圖2A中相同的頻帶上描繪結果。柵格線
指示250MHz的頻梳f rep 。為了在此靜態圖片中獲得可同時耦合至稜鏡腔室中的光譜頻寬,應考慮腔室104的線寬以及頻梳102的梳線的線寬。假定106之腔室精細度,腔室線寬等於2.5kHz。諸如Er:光纖雷射的近紅外線頻梳102的典型線寬通常為大約100kHz,且因此比腔室線寬大得多。結果,耦合頻寬主要由頻梳102的線寬判定。
為了估計耦合頻寬,假定,當腔室模式與梳線之間的去諧超過(頻梳102的)100kHz線寬時,光將耦合至稜鏡腔室104中。基於圖2B,當頻率改變±90GHz時,達成±100kHz去諧。因此,總耦合頻寬將為180GHz,其在波長上等於1.35nm。此計算顯示,歸因於稜鏡空腔的色散,稜鏡腔室104(或任一高色散腔室)將充當具有在最佳耦合區域(在圖2B中指示為陰影框)周圍約1nm的分辨率的有效波長濾光片。可藉由增加或減小腔室色散(例如,藉由使用較小或較大稜鏡或選擇較高或較低色散材料)來將此解析度按比例調整至較低或較高數字。
圖2B亦說明稜鏡腔室104的高色散的另一效應。當去諧達到梳f rep 的倍數時,第n個稜鏡腔室模式將再次與梳線重疊。換言之,取決於色散方向,第(m-x)個或第(m+x)條線將重疊,其中x表示大於或等於1的整數。此被稱為游標效應(Vernier effect)。游標效應允許以遠離實際上經最佳化的耦合頻率的一或多個頻率額外耦合至腔室中。在圖2B中,垂直線指示此等游標透射區域。此等區域的耦合頻寬比經最佳化區域中的耦合頻寬小得多,如由圖2B中所示的曲線的增大斜率所指示。在一些實例中,在小於約1nm的分辨率是合乎需要的且稜鏡304(圖3)的實體
大小或材料的改變並不合乎需要或可能的情況下,可使用游標效應。此外,若使用粗色散偵測系統106(諸如光柵或單色器),則可將此等游標透射線用作頻率標記以獲得寬頻帶量測,即使在靜態耦合組態中。
雖然1nm解析度通常不夠用於光分子的高精確度光譜法,但解析度足夠用於偵測具有寬頻帶吸收特徵的液體或更複雜分子。可藉由改變頻梳102的f rep 來達成調諧。歸因於游標耦合效應,可藉由僅用整個頻帶的一小部分來調諧光學頻率而涵蓋稜鏡腔室104的整個頻寬。藉由映射游標區域的頻率位置,可判定稜鏡腔室104的色散(描述於Thorpe等人的光學快報(Opt.Express)13,882(2005)中)。當將單一頻道偵測器用於偵測系統106時,偵測頻寬可經選擇以防止任何非吾人所樂見的對游標區域的干擾。舉例而言,在圖2B中,此範圍擴展至>20THz,其足夠用於許多實驗。
接下來,針對靜態及動態耦合而描述由耦合系統108(圖1)提供的頻梳至稜鏡腔室耦合技術的實例。在一些實例中,耦合系統108可包含用於經由任何合適電子鎖定方案(諸如,下文在圖3、圖4以及圖7A至圖7C中所進一步描述)的稜鏡腔室104至頻梳102之靜態耦合的光學及/或電子組件。在一些實例中,耦合系統108可包含用於經由掃掠耦合方案(如下文關於圖5以及圖8A至圖8D所進一步描述)的動態耦合的光學及/或電子組件。
參看圖7A至圖7C,描述用於靜態耦合的電子鎖定。詳言之,圖7A為說明針對經鎖定耦合方案的隨頻率變化之稜鏡腔室模式的實例的圖;圖7B為說明針對經鎖定耦合方案的隨頻率變化
之頻梳模式的實例的圖;以及圖7C為說明當第n稜鏡腔室模式(在頻率區域702中)經由電子鎖定而匹配(及鎖定至)第m頻梳模式時的梳頻域光譜706以及腔室透射頻域光譜708的實例的圖。
在靜態耦合中,頻梳102的梳線間距以及稜鏡腔室104的FSR經鎖定至靜態位置。舉例而言,稜鏡腔室104的第n腔室模式匹配頻梳102的第m頻梳模式(與之對準)。因此,在頻率區域702(其中梳模式與腔室模式對準)中,腔室透射率708最大。在頻率區域700以及704中,梳模式與腔室模式未對準,且腔室透射率708減小。如圖7C中所示,經鎖定耦合方案提供狹窄、所要的光譜區域(例如,區域702)的最大透射率(與梳頻域光譜706相比)。因此,經組態用於靜態耦合的梳-腔室耦合系統108(圖1)作為帶通光譜濾光器而操作。其強調在光譜的非常窄區域中的最佳耦合。因此,在梳線模式與腔室模式相配的區域中,可以較小的光譜頻寬涵蓋範圍為代價來產生高透射率(亦即,與輸入梳頻域光譜706相當的透射率)。
為了使用靜態耦合方案,將電子鎖定應用於頻梳102,以補償通常由頻梳102以及稜鏡腔室104兩者的振動及熱波動引起的抖動以及漂移。電子鎖定方案的兩個實例包含Pound-Drever-Hall(PDH)技術(描述於Drever等人的應用物理學(Appl.Phys.)B 31,97(1983)中)以及Hänsch-Couillaud(HC)技術(描述於Hänsch等人的光通信(Opt.Comm.)35,441(1980)中)。兩個技術依賴於產生電子誤差信號,藉由利用在共振中或不在共振中的光學腔室之有區別行為;或經由調相(PDH)或偏光(HC)。圖3為實施頻梳102與稜鏡腔室104之間的PDH鎖定的實例稜鏡
腔室增強型光譜系統300的方塊圖。圖4為實施頻梳102與稜鏡腔室104之間的HC鎖定的實例稜鏡腔室增強型光譜系統400的方塊圖。
現參看圖3,圖示顯示使用PDH鎖定的實例系統300。系統300包含頻梳102、偏光器302、稜鏡腔室104、轉向光學器件306、偵測系統106、頻率產生器308、電光調變器(eletro-optic modulator;EOM)310、色散元件312、鎖定偵測器314-1、314-2以及鎖相伺服機構(伺服機)316-1、316-2。偏光器302、頻率產生器308、EOM 310、色散元件312、鎖定偵測器314及鎖相伺服機316表示耦合系統108(圖1)。在系統300中,偏光器302經組態以提供P偏光。偏光器302可自經組態以使P偏光通過且阻擋其他偏光之波的任何合適光學濾光片形成。色散元件312可包含任何合適的光學色散元件,諸如,繞射光柵。
在操作中,頻梳102產生入射光脈衝320(該等脈衝在頻域中可代表性地作為梳分量)。入射光320由偏光器302偏光以形成經P偏光的光322。經P偏光的光322由EOM 310調相以形成經調相的光324。經調相的光324可包含頻梳102的載波偏移頻率及重複率,以及兩個邊帶。
頻率產生器308產生兩個邊帶的頻率,可將所述頻率提供至EOM 310或提供至頻梳102。在一實例中,310可基於由頻率產生器308提供的邊帶而對經偏光的光322調相。在另一實例中。調相可基於由頻率產生器308提供的邊帶而直接在頻梳102處產生(不使用EOM 310)。
經調相的光324耦合至稜鏡腔室104中且在稜鏡腔室
104中傳播,從而與稜鏡腔室104中的任何測試樣本(未圖示顯示)相互作用達許多往返行程。稜鏡腔室104允許腔室內光束的一部分退出逆向反射稜鏡304a,作為腔室輸出光326。腔室輸出光326可經由轉向光學器件306(例如,一或多個鏡)而引導至偵測系統106。經調相的光324的一部分穿過稜鏡304a且作為光學誤差信號328輸出。
偵測系統106可經組態以偵測自腔室輸出光326的腔室透射率。偵測系統106可包含(例如)單一頻道偵測器、色散偵測系統或傅立葉變換偵測系統。
光學誤差信號328由色散元件312繞射至與頻梳102的不同頻率相關聯的第一繞射信號330-1及第二繞射信號330-2中。第一繞射信號330-1與對應於梳偏移f 0的頻率相關聯。第二繞射信號330-2與對應於重複率f rep 的頻率相關聯。繞射信號330-1、330-2耦合至各別鎖定偵測器314-1、314-2。基於第一繞射信號330-1,鎖定偵測器314-1控制鎖相伺服機316-1以調整頻梳102的梳泵功率。基於第二繞射信號330-2,鎖定偵測器314-2控制鎖相伺服機316-2以調整頻梳102的梳腔室長度。
一般而言,光學誤差信號328包含產生的邊帶,以及頻梳102的載波偏移及重複率分量,歸因於穿過稜鏡304a的透射,頻梳可經相移。每一鎖定偵測器314判定各別梳偏移及重複率與腔室104偏共振的程度,且可用作回饋以用於有效穩定。
由系統300提供的PDH鎖定不同於連續波雷射與鏡腔室之間的PDH鎖定。因為頻梳102是由兩個參數f rep 及f 0判定,所以鎖定涉及在梳光譜內部的兩個不同光譜區域以針對兩個變數
產生回饋信號。接著,f rep 通常經由梳振盪器長度加以控制,而f 0控制通常經由調整振盪器泵雷射電流來實行。此方案(例如)用於Foltynowicz等人的物理評論通訊(Phys.Rev.Lett.)107,233002(2011)的作品中。
系統300中的另一所關注的參數為適當光學誤差信號328的提取。在鏡腔室中,自輸入鏡的反射用以提取雷射線的相移信號以及經由EOM添加的邊帶。藉由稜鏡腔室104,誤差信號等效於透射穿過輸入耦合稜鏡且自表面307輸出的光束。
接下來參看圖4,圖示顯示使用HC鎖定的實例系統400。系統400包含頻梳102、偏光器302'、稜鏡腔室104、轉向光學器件306、偵測系統106、四分之一波板402、色散元件312、光束分光器404-1、404-2、S偏光偵測器406-1、406-2、P偏光偵測器408-1、408-2、差動放大器410-1、410-2及鎖相伺服機316-1、316-2。在系統400中,偏光器302'經組態以提供近p偏光,其伴有與完全p偏光的偏差角θ。此角度將小的S分量提供至偏光。此分量的最佳分數是系統相依的,且可藉由最佳化誤差信號來發現。在系統400中,偏光器302'、四分之一波板402、色散元件312、光束分光器404、S分量偵測器406、P分量偵測器408、差動放大器410以及鎖相伺服機316表示耦合系統108(圖1)。
在操作中,頻梳102產生入射光脈衝420(該等脈衝在頻域中可代表性地作為梳分量)。入射光420由偏光器302'偏光以形成近p偏光的光422。
經偏光的光422耦合至稜鏡腔室104中且在稜鏡腔室中傳播,從而與稜鏡腔室104中的任何測試樣本(未圖示顯示)相
互作用。稜鏡腔室104允許腔室內光束的一部分退出逆向反射稜鏡304a,作為腔室輸出光426。腔室輸出光426可經由轉向光學器件306引導至偵測系統106。經偏光的光422的一部分穿過稜鏡304a且作為光學誤差信號428輸出。偵測系統106可經組態以偵測自腔室輸出光426的腔室透射率。偵測系統106可包含(例如)單一頻道偵測器、色散偵測系統或傅立葉變換偵測系統。
光學誤差信號428由四分之一波板402變換成經橢圓偏光的光。經橢圓偏光的信號430由色散元件312繞射成分別與梳偏移f 0、重複率f rep 相關聯的第一繞射信號432-1及第二繞射信號432-2(如上關於圖3所描述)。每一繞射信號432由各別偏光光束分光器404分裂且經提供至S分量偵測器406以及P分量偵測器408。S分量偵測器406以及P分量偵測器408識別與來自頻梳102的入射的經偏光的光422相比的繞射信號432中的S偏光以及P偏光的量的改變(由自稜鏡304a的偏光引起)。每一差動放大器410使用偵測的S偏光與P偏光(接收自偵測器406、408)的差異以便產生電子誤差信號且控制各別鎖相伺服機316。差動放大器410-1的輸出可由鎖相伺服機316-1使用,以調整頻梳102的梳泵功率。差動放大器410-2的輸出可由鎖相伺服機316-2使用,以調整頻梳102的梳腔室長度。
由系統400提供的HC鎖定不同於連續波雷射與鏡腔室之間的HC鎖定。與鏡腔室對比,無額外偏光元件添加至稜鏡腔室104,因為稜鏡304自身充當強偏光器。如在PDH方案(圖3)中,獲得在不同光譜區域處的兩個回饋信號以提供回饋以控制頻梳102的梳偏移以及重複率。在PDH方案(圖3)以及HC方案(圖
4)兩者中,經耦合光光譜的掃描或調諧可藉由旋轉判定兩個鎖定點的色散元件312(由雙頭箭頭指示)來執行。
接下來參看圖8A至圖8D,描述掃掠耦合方案(動態耦合)。詳言之,圖8A為說明針對掃掠耦合方案的隨頻率變化之稜鏡腔室模式的實例的圖;圖7B為說明針對掃掠耦合方案的隨頻率變化之頻梳模式的實例的圖;圖8C為說明針對掃掠耦合方案的隨時間變化之頻梳掃掠信號802以及稜鏡腔室透射信號804的實例的圖;以及圖8D為說明用於動態耦合的梳頻域光譜806以及腔室透射頻域光譜808的實例的圖。
在掃掠耦合方案中,頻梳102的重複率f rep (或替代地,稜鏡腔室104的FSR)的快速線性掃掠802允許在掃掠期間的某一點對於所有光譜區域的梳之f rep 與腔室之FSR的匹配(如圖8C中所示)。因此,針對寬光譜頻寬達成暫時耦合。然而,在掃掠期間,耦合效率可降低,從而導致穿過稜鏡腔室的較低總透射率808(與輸入梳頻域光譜806相比)。
如圖8D中所示,掃掠耦合方案可藉由動態地改變頻梳102的間距或腔室線的間距(藉由改變稜鏡腔室104的長度)來最大化總透射頻寬。當執行線性掃掠802時,不同光譜區域將在不同時間透射穿過稜鏡腔室104。若與偵測系統106的獲取時間相比,掃掠802平均較快,則可透射整個光譜。若與偵測系統106的獲取速度相比,掃掠802較慢,則可隨著時間過去而觀測到不同透射光譜,從而允許(例如)當供單一頻道偵測器106使用時的中等頻譜解析度。
接下來參看圖5,圖示顯示使用掃掠耦合方案的實例稜
鏡腔室增強型光譜系統500。系統500包含掃掠產生器502、頻梳102、偏光器302、稜鏡腔室104、轉向光學器件306、色散偵測系統106、鎖定偵測器504-1、504-2、光束分光器508以及波峰鎖定伺服機506。在系統500中,偏光器302提供p偏光。在系統500中,掃掠產生器502、鎖定偵測器504以及波峰鎖定伺服機506形成耦合系統108(圖1)。
在操作中,掃掠產生器502在預定時間段上產生施加至頻梳102的掃掠信號602(圖示顯示於圖6A中),以掃掠在預定頻率範圍上的頻梳102的重複率f rep 。因此,替代同時耦合且分析頻梳102的光譜的固定部分,系統500經由稜鏡腔室104一次傳輸一個梳頻。來自頻梳102的光(大體上表示為入射光520)由偏光器302偏光以形成經P偏光的光522。
經偏光的光522耦合至稜鏡腔室104中且在稜鏡腔室104中傳播,如上所述。稜鏡腔室104允許腔室內光束的一部分退出逆向反射稜鏡304a,作為腔室輸出光526。腔室輸出光326可經由轉向光學器件306而引導至色散偵測系統106。經偏光的光522的一部分穿過稜鏡304a且作為光學誤差信號528輸出。
光學誤差信號528經引導至第一鎖定偵測器504-1。來自第一鎖定偵測器504-1的信號604圖示顯示於圖6B中。替代地,腔室輸出光526是經由光束分光器508引導至第二鎖定偵測器504-2。來自第二鎖定偵測器504-2的信號606圖示顯示於圖6C中。當頻梳102與稜鏡腔室104共振時,鎖定偵測器504-1偵測較低信號528。當頻梳102與稜鏡腔室104共振時,鎖定偵測器504-2偵測較高信號526。基於來自第一鎖定偵測器504-1的輸出
信號604或來自第二鎖定偵測器504-2的輸出信號606,波峰鎖定伺服機506調整頻梳102的梳腔室長度或稜鏡腔室104的腔室長度。
在系統500中,操縱腔室模式與梳頻之間的匹配以允許在某一時間僅頻率的非常窄的頻帶(或一或幾個梳頻)傳播穿過稜鏡腔室104。接著,動態地改變稜鏡腔室104或頻梳102,且不同梳頻耦合至腔室104中。歸因於重複率的快速掃掠,系統500走過一系列頻率,從而以每一頻率輸出連續腔室輸出光526,使得以一次一個梳分量之方式對整個光譜取樣。
在系統500中,可故意地自稜鏡腔室104的FSR去諧頻梳102的重複率頻率f rep 。接著按受控制方式對頻率f rep 掃掠,使得連續頻率在連續時間與稜鏡腔室104共振。接著由各別鎖定偵測器504-1、504-2一次一個地在腔室輸出信號526及/或光學誤差信號528中偵測連續頻率。
由於稜鏡腔室104的高度色散性質,因此靜態耦合(諸如,圖3以及圖4中所示)可提供帶通光譜濾光(如與連續寬頻帶光譜涵蓋範圍相對)。由系統500提供的掃掠耦合可藉由將重複快速線性掃掠602(諸如,呈三角形波形的形式)應用於頻梳102的長度(藉此調變f rep )來克服稜鏡腔室104的高色散侷限性。掃掠信號602亦可施加至稜鏡腔室104的長度,藉此調變FSR。在一些實例中,可使用小壓電元件或光纖拉伸機來執行頻梳102的長度調變。在一些實例中,由於稜鏡304的大小,因此可比調整稜鏡腔室104的長度方便地(例如,快地)調變頻梳102的長度。
在低色散腔室的情況下,可以最小振幅來執行掃掠以涵
蓋整個所要的偵測頻寬。在高色散稜鏡腔室104的情況下,FSR的改變在待涵蓋的整個光譜上可為非常顯著,通常為鏡腔室的情況的103至104倍。為了在一掃掠中涵蓋圖2A中所示的完全頻率範圍(亦即,170THz至230THz),將使用約50kHz的f rep 的改變。此改變對應於在大約200THz的光學梳線頻率中的約40GHz(8×105.50kHz)的改變。取決於偵測系統106,完全掃掠振幅可並非必要的。
色散偵測系統106可包含用於低解析度偵測的光柵單色器、VIPA光譜儀或用於高解析度的中階光柵攝譜儀。中階光柵攝譜儀已廣泛地用於天文學中,且描述於(例如)Hinkle等人的國際光學工程學會會刊(Proc.SPIE)91514A(2014)中。使用具有陣列偵測器以及適當成像組件的單色器或VIPA光譜儀,可獲得在近紅外區域中的5THz至10THz的並行偵測頻寬。根據圖2B,此對應於約5kHz至10kHz的FSR的大致改變或約4GHz至8GHz的光學梳頻的改變。
為了選擇最佳掃掠速度,可考慮三個準則:掃掠速度與腔室使用期限之間的關係、低頻雜訊以及耦合效率。腔室104的使用期限通常大於約10μs。在彼時間跨腔室模式掃掠100kHz寬的梳線將對應於10GHz/s的掃掠速率β。若β<<10GHz/s,則系統在準靜態模式中操作,類似於腔室增強型吸收光譜法。若β>>10GHz/s,則系統在較動態的模式中操作,類似於腔室鈴流信號(ring-down)光譜法。兩個不同區的性質詳述於Thorpe等人的應用物理學(Appl.Phys.)B 91,397(2008)中。
針對掃掠耦合,掃掠速率通常在動態範圍中,從而利用
低頻雜訊抑制。較高掃掠速率可抑制較多雜訊且允許較快的量測時間。然而,若掃掠速率過高,則光將不能夠在腔室共振上花足夠時間以充分地激勵各別腔室模式。在此情況下,進一步增大掃掠速率將與信雜比的損耗相關聯。可基於腔室精細度、梳線寬及/或偵測器信雜比來選擇最佳掃掠速率。舉例而言,可選擇初始掃掠速率(諸如,10GHz/s)且可增大掃掠速率,直至判定用於系統500的最佳掃掠速率。全光譜的總量測時間則可取決於掃掠速率,且可涵蓋總頻寬。作為實例,對於100GHz/s的掃掠速率,涵蓋光學頻率的5THz至10THz的頻寬可需要約40ms至80ms。因此,可易於獲得大於10Hz的量測速率。
雖然本發明在本文中是參考具體實施例來說明及描述,但本發明並不意欲限於所示的細節。相反地,可在申請專利範圍的等效物的範疇及範圍內且在不脫離本發明的情況下進行細節的各種修改。
100‧‧‧實例稜鏡腔室增強型光譜系統
102‧‧‧頻梳
104‧‧‧稜鏡腔室
106‧‧‧偵測系統
108‧‧‧梳-腔室耦合系統
Claims (20)
- 一種光譜系統,其包括:光源,其經組態以產生對應於頻梳的光;稜鏡腔室,其光學耦合至所述光源,所述稜鏡腔室經組態以接收所述產生的光且產生第一輸出光以及第二輸出光,所述第一輸出光與所述接收的光在所述稜鏡腔室內的反射相關聯,所述第二輸出光與所述接收的光穿過所述稜鏡腔室的稜鏡的透射相關聯;以及耦合系統,其耦合至所述光源以及所述稜鏡腔室,所述耦合系統經組態以基於所述第一輸出光以及所述第二輸出光中的至少一者來調整所述光源或所述稜鏡腔室中的至少一者的特性,所述特性經調整以增加所述光源與所述稜鏡腔室之間的光學耦合且補償所述稜鏡腔室的色散。
- 如申請專利範圍第1項所述的光譜系統,其更包含光學耦合至所述稜鏡腔室的偵測器,所述偵測器經組態以量測所述第一輸出光自所述稜鏡腔室的腔室透射率。
- 如申請專利範圍第2項所述的光譜系統,其中所述偵測器包含非色散偵測器、色散偵測器或傅立葉變換偵測器中的至少一者。
- 如申請專利範圍第3項所述的光譜系統,其中所述色散偵測器包含單色器、繞射光柵、虛擬成像相控陣列光譜儀或中階光柵攝譜儀中的至少一者。
- 如申請專利範圍第1項所述的光譜系統,其更包括安置於所述光源與所述稜鏡腔室之間的具有預定偏光特性的偏光器。
- 如申請專利範圍第1項所述的光譜系統,其中所述特性包含所述頻梳的梳腔室長度、所述光源的泵功率或所述稜鏡腔室的腔室長度中的至少一者。
- 如申請專利範圍第1項所述的光譜系統,其中所述耦合系統經組態以基於來自所述稜鏡腔室的所述第二輸出光而將所述頻梳的梳頻模式靜態地耦合至所述稜鏡腔室的稜鏡腔室模式。
- 如申請專利範圍第7項所述的光譜系統,其中所述耦合系統經組態以基於調相鎖定或偏光鎖定中的至少一者而將所述梳頻模式靜態地耦合至所述稜鏡腔室模式。
- 如申請專利範圍第7項所述的光譜系統,其中所述耦合系統包含:第一偵測器,其經組態以監視所述第二輸出光的第一頻率,所述第一頻率與所述頻梳的偏移相關聯;以及第二偵測器,其經組態以監視所述第二輸出光的第二頻率,所述第二頻率與所述頻梳的重複率相關聯,所述受監視第一頻率以及所述受監視第二頻率用以調整所述光源的所述特性。
- 如申請專利範圍第1項所述的光譜系統,其中所述耦合系統經組態以:藉由在預定時間段上依序掃掠所述頻梳的梳頻,將所述梳頻動態地耦合至所述稜鏡腔室的稜鏡腔室模式,以及基於所述第一輸出光或所述第二輸出光中的至少一者,針對所述預定時間段中的每一梳頻,調整所述光源或所述稜鏡腔室中的至少一者的所述特性。
- 如申請專利範圍第1項所述的光譜系統,其中所述稜鏡腔室包含所述稜鏡以及由腔室長度間隔開的另一稜鏡,所述稜鏡以及所述另一稜鏡經組態以形成環形腔室。
- 如申請專利範圍第11項所述的光譜系統,其中所述稜鏡以及所述另一稜鏡各包含布魯斯特角逆向反射稜鏡。
- 如申請專利範圍第1項所述的光譜系統,其中所述光譜系統為腔室增強型直接頻梳光譜(CE-DFCS)系統。
- 一種基於梳的光譜法的方法,所述方法包括:由光源產生對應於頻梳的光;將所述產生的光引導至稜鏡腔室,使得所述稜鏡腔室產生第一輸出光以及第二輸出光,所述第一輸出光與所述產生的光在所述稜鏡腔室內的反射相關聯,所述第二輸出光與所述產生的光穿過所述稜鏡腔室的稜鏡的透射相關聯;以及基於所述第一輸出光以及所述第二輸出光中的至少一者來調整所述光源或所述稜鏡腔室中的至少一者的特性,所述特性經調整以增加所述光源與所述稜鏡腔室之間的光學耦合且補償所述稜鏡腔室的色散。
- 如申請專利範圍第14項所述的基於梳的光譜法的方法,其中所述特性包含所述頻梳的梳腔室長度、所述光源的泵功率或所述稜鏡腔室的腔室長度中的至少一者。
- 如申請專利範圍第14項所述的基於梳的光譜法的方法,其中所述特性的所述調整包含:藉由在預定時間段上依序掃掠所述頻梳的梳頻,將所述梳頻動態地耦合至所述稜鏡腔室的稜鏡腔室模式;以及 基於所述第一輸出光或所述第二輸出光中的至少一者,針對所述預定時間段中的每一梳頻,調整所述光源或所述稜鏡腔室中的至少一者的所述特性。
- 如申請專利範圍第14項所述的基於梳的光譜法的方法,其中所述特性的所述調整包含基於來自所述稜鏡腔室的所述第二輸出光而靜態地維持所述頻梳的梳頻模式與所述稜鏡腔室的稜鏡腔室模式之間的匹配。
- 如申請專利範圍第17項所述的基於梳的光譜法的方法,其中所述特性的所述調整包含:監視所述第二輸出光的第一頻率,所述第一頻率與所述頻梳的偏移相關聯;監視所述第二輸出光的第二頻率,所述第二頻率與所述頻梳的重複率相關聯;及基於所述受監視第一頻率以及所述受監視第二頻率來調整所述光源的所述特性。
- 如申請專利範圍第14項所述的基於梳的光譜法的方法,所述方法更包括量測所述第一輸出光自所述稜鏡腔室的腔室透射率。
- 如申請專利範圍第14項所述的基於梳的光譜法的方法,所述稜鏡腔室包含所述稜鏡以及由腔室長度間隔開的另一稜鏡,所述稜鏡以及所述另一稜鏡經組態以形成環形腔室。
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Families Citing this family (16)
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN112782106A (zh) * | 2020-12-23 | 2021-05-11 | 山西大学 | 一种获得窄线宽里德堡原子光谱的装置和方法 |
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