直接频率梳光谱学

超越光钟——频率梳用于多功能光谱学

  • 双光梳光谱
  • 腔体增强光梳光谱
  • 中红外梳状光谱
  • 相干控制
  • 遥感

频率梳最初是作为光频计量领域中光频率频率计数装置及时间参照而设计的。出去这个早期用途,频率梳还可以直接用于光谱学。他们杰出的准确度,高光谱纯度以及广泛的光谱覆盖率使之成为非常实用且独特的光谱工具。直接频率梳光谱应用有许多不同种类。例如双光梳光谱,腔体增强光梳光谱,中红外梳状光谱,相干控制或遥感,而这些仅仅是众多方向中一小部分例子。所有这些技术通常基于光梳与样品相作用后光信号的分析。比如说,双光梳光谱利用光梳间距略微不同的两组光梳,对于从两组光梳中各抽一条光谱线组成的谱线对,探测器上将产生射频拍信号。这样,光频被转换成射频,从而其中一组光梳与样品的相互作用而产生的幅度和相位变化得以被探测器测得[1,2]

腔体增强光梳光谱技术中,每条光谱线都有效地耦合到高精细度腔体模式中。这样做可以生成用于分子动力学及痕量分析的多并行通道高灵敏度分析。主要的优点在于光谱带宽宽,以及高灵敏度与快读光谱采集的契合。该技术有许多应用,尤其对阿托秒研究十分有吸引力。通过精心设计腔体反射镜,腔体增强光梳光谱也可与无偏移光梳组合使用作为泵浦激光。这从稳定性的角度来说是有优势的,使得几十兆赫重频的阿托秒脉冲成为可能[3]

中红外梳状光谱面临着中红外区域没有高效探测器阵列的挑战。解决方案是在迈克尔逊或双光梳光谱形势下使用傅里叶变换光谱。分子在中红外区域具有很强的吸收指纹,这对于直接频率梳光谱应用具有特殊意义。该方法以短采集时间,高灵敏度以及宽带宽高精确度著称[4]

直接频率梳光谱的一个非常有趣的应用是冷粒子量子态相干控制,例如如束缚离子。具有极高保真度的纠缠量子逻辑门已经被实现,并且可以极高的速度操作,满足适用于直接光梳光谱仪的捕获速度[5]。

温室气体遥感可以用双光梳设置下的直接频率梳光谱来实现[6]。这里,通过对长距离范围内小量气体增长的精确连续测量,人们可以增强对于区域温室气体流通,源头以及集汇的理解。在将来,便携系统将使区域监控成为可能。