大量气体分子的强吸收处于6到9μm波段且谱线密集,利用中红外光源与气体分子之间的相互作用规律,能够实现气体种类、浓度等信息的高灵敏度检测与分析。产生宽带、可调节的中红外光主要有光参量振荡器和差频产生两种方式。光参量振荡器输出功率高,光谱覆盖范围广,但需要一个自由空间谐振器,使得装置体积庞大,并易受到外部干扰,不利于实际应用。而差频产生的方法更加灵活——它不需要空腔,几乎完全可以使用光纤实现,这确保了无需空间对准,并降低了装置复杂性。

 

本期的介绍的瑞典GRZEGORZ SOBON组两篇文章的主要内容均是基于差频产生的6-9um全光纤中红外光源。

 

图1 全光纤型中红外光源实验装置[1]

 

第一篇文章的全光纤型中红外光源实验装置如图1所示,可以将其分为四个部分:1.锁模掺铒光纤激光器;2.耦合器输出后进行非线性放大的1.56um泵浦脉冲部分,放大后平均功率为175mW;3.耦合器输出后进行孤子自频移和放大的2um附近信号脉冲部分;4.将调节时延后的1.56um泵浦脉冲和2um信号脉冲合束并通过消色差光学系统聚焦在OP-GaP晶体中差频,通过调节晶体极化周期,实现不同的准相位匹配条件,从而实现6-9um可调谐的中红外脉冲输出。其中得到最高平均功率为7.4mW,对应中红外脉冲波长为7.5um。

 

图2 利用得到的中红外光源测量甲烷和水的吸收谱并与标准数据库做对比[1]

 

最后利用得到的中红外光源测量甲烷在7.5-8.3um的吸收谱,并与标准数据库中的甲烷吸收谱对比,证明了这种方法得到的中红外光源的可应用性。

 

图3 增加稳定装置的全光纤型中红外光源实验装置[2]

 

第二篇文章中实验装置如图3所示,装置与第一篇相似但对其进行了改进,增加了重复频率调谐和锁定装置,调谐范围为15.5kHz,重复频率锁定后10小时内抖动小于3Hz。以及输出功率反馈稳定装置,通过监测1kHz-300kHz内的剩余强度噪声,形成反馈锁定环路,最终实现稳定后60分钟内输出功率抖动不大于0.8%,结果如图4所示。

 

图4 60分钟内输出功率稳定前(左)后(右)的对比图[2]

 

稳定、全光纤化和简单的设计为中红外差频产生频率梳在实验室外的应用,如环境监测和宽带多物种检测铺平了道路。