第34卷，第2期 2014年2月
光谱学与光谱分析 Spectroscopy and Spectral Analysis
飞秒光学频率梳高精度气体吸收光谱技术进展
杨宏雷，蔚昊赛，李岩，任利兵，张弘元
清华大学精密仪器系，精密测试技术及仪器国家重点实验室，北京100084
Vol.34,No.2.pp335-339 February 2014
摘要飞秒光学频率梳以其频谱宽、脉宽窄、频率稳定度高等优点，对光学频率计量、绝对距离测量、高精度光谱测定产生重大影响。飞秒光学频率梳的时域特性和颖域特性潮源至微波频率基准，使得高精度气体吸收光谱探测成为可能。飞秒光学频率梳光谱技术具有测量速度快、光谱灵敏度高、分辨率高、信噪比高等优点，因此加大对飞秒光学频率梳光谱技术的研究力度将更好地服务于环境保护、工业生产、生物医学、科学研究等各领域。飞秒光频梳高精度气体吸收光谱主要可分为光频梳腔衰荡光谱、光频梳腔增强光谱和双光频梳多外差光谱。其中，根据采集方式不司，光频梳股增强光谱文可分为梳齿游标测量法、虚拟成像相位阵列测量法和傅里叶变换测量法。目前，国外已广泛开展相关研究，而国内仍处于起步阶段。本文综述了飞秒光学频率梳高精度气体吸收光谱探测的主要技术方法，展示了不同测量方法典型的实验方案，分析了
各探测方法的优缺点，并追踪了主要研究小组的前沿成果。关键词红外光谱；飞秒光学频率梳；气体吸收
中图分类号：0657.3
引言
文献标识码：A
DOI: 10. 3964 /j. issn. 1000-0593(2014 )02-0335-05
和灵敏度的目的。本文重点介绍光频梳在高精度气体吸收光谱领域的相关技术、研究进展和研究动向。
飞秒光学频率梳（简称“光频梳”），以优异的时频域特性在精密测量中发挥着重要作用(1.2]。光频梳在时域上输出等时间隔的飞秒脉冲序列，其傅里叶变换对应为频域内一系列等频间隔的频率梳齿。由于增益介质和腔镜的色散效应使得频率梳齿整体相对原点存在偏置频率，为了保证光频梳输出光脉冲特性稳定，通常采用自参考技术对偏置频率稳定控制。
光频梳的出现为高精度气体吸收光谱测量提供广新的技术手段。在环保方面，以光频梳为光源的吸收光谱能更灵致、更精确地实时测量大气中有害气体的种类和浓度。在工业生产中，光频梳光谱亦是优良的监测空气净化等级的备选方案之一。在生物医学领域，光频梳光谱可快速、无创伤、定性定量分析人体呼出气体的成分，用于诊断病患的病理信息。在科学研究方面，光频梳光谱以其测速快的优点，在气体高速喷射场的浓度、速率分布测量，推进器火焰结构分析，瞬变化学反应过渡产物识别中应用前景广泛。另外，光频梳光谱对探索原子能级结构大有禅益。光频梳光谱精密测量还有利于建立了更加完善的气体吸收光谱数据库，达到丰富气体光谱种类，拓宽已有光谱谱宽、提高已有光谱分辨率
收稿日期：2013-04-09，修订日期：2013-08-04
基金项目：国家自然科学基金青年科学基金项目(61205147)资助作者简介：杨宏雷，1990年生，清华大学精密仪器系博士研究生
1飞秒光频梳气体吸收光谱测量技术 1.1光频梳腔衰荡光谱
腔衰荡技术最初应用于镜片反射率测量4}，后拓展应用于气体吸收系数测定5."]。其基本思想是测量高精细度衰荡腔中光强的衰减速率。光脉冲耦合人腔后在腔内往返反射，当腔内光强达到设定阅值时，光开关将入射光断开，腔另一端的高速光电探测器记录下光脉冲在衰荡腔内每次往返的透射光强，对数据拟合求解出衰荡时间，进而得到待测气体吸收系数。
根据理论模型分析7.8，腔衰荡光谱的灵敏度由式（1）给出
rFa(f)d 元
(1)
其中，F为腔精细常数，αf)为气体吸收系数，d为腔长，/为衰荡时间测量精度，
如图1所示，复色光衰荡信号经衍射光栅沿水平方向分离，被分离的不同波长衰荡信号经过旋转反射镜沿竖直方向投射到面阵CCD不同列内的探测单元，测得光谱分辨率
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