Advanced Photonics2024年第1期文章：

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研究背景

       光谱学在分子和原子结构研究中扮演着关键角色，在传感、环境研究、医学诊断等领域发挥着重要作用。光在光纤、积分球、集成波导或其他无序介质中传播时，会产生随机反射、散射和干涉形成散斑图案。由于无序介质产生的散斑图案在每个波长下都是独一无二的，可通过散斑图案来实现宽谱光源的光谱测量或连续波光源的波长测量。凭借更长的相对光程差，散斑光谱仪可以在更小的尺寸下实现优于光栅光谱仪的皮米级分辨率。在进行单一波长测量时，散斑波长计可以实现更高的亚飞米级波长分辨率。然而，仅能确定少数离散波长的散斑波长计难以有效应用于光谱分析。因此，散斑图案在高分辨率光谱学中的应用潜力需要进一步发掘。

       光频梳技术通过建立光频和射频之间的联系，推动了光学计量和光谱学领域的发展，其发明人Theodor Hänsch和John Hall也因此获得了2005年的诺贝尔物理学奖。光频梳提供的大量等间距相干谱线本身也是测量宽带光谱的强大工具。光频梳的直接光谱测量可以通过采用虚拟成像相控阵、扫描F-P腔、傅里叶变换光谱仪、外差干涉仪和双光梳干涉仪等技术来实现。在过去十几年中，研究人员发明了多种基于不同平台的光频梳光源，它们分别可以工作在不同的中心波长、重复频率和带宽范围，这也进一步促进了光谱学的发展。与大多数基于光学谐振腔产生的光频梳相比，电光梳（Electro-optic Frequency Comb, EOFC）在射频信号驱动下可以实现自由选择的重复频率，不受谐振腔物理尺寸的限制。因此，具有超精细谱线的电光梳尤其适用于高分辨率的光谱测量。然而，对于超精细电光梳而言，其带宽受到射频器件的电子带宽瓶颈限制。因此，扩展超精细电光梳的测量带宽在精密光谱学和高灵敏度传感等领域中有重要的意义。

基于电光频梳结合回音壁模式的宽带高分辨率光谱测量

       上海交通大学何祖源、樊昕昱教授团队提出将散斑图案与电光梳相结合的宽带高分辨率光谱测量方案。通过调谐探测激光产生的超精细电光梳谱线记录样品的谱图，使分辨率达到亚飞米级。基于回音壁模式（Whispering-gallery-mode, WGM）的散斑图案（或称WGM条形码）对探测激光和超稳激光的频率实现了精准连接，将测量带宽扩大至电光梳带宽的上千倍。该方法利用光纤激光器展示了0.8 fm的高分辨率，利用可调谐的外腔激光器展示了80 nm的宽带，并实现了超高Q值谐振腔和气体分子吸收的光谱测量。相关成果以“Whispering-gallery-mode barcode-based broadbandsub-femtometer-resolution spectroscopy with an electro-opticfrequency comb”为题，发表在Advanced Photonics2024年第1期。

原理：基于WGM条形码的波长或光频确定方案

       基于散斑的光谱仪或波长计需要具备长的相对光程差和随机特征。在现有结构中，WGM谐振腔具有异常高的品质因数（Q值）和易激发多个模式的特点，这使得同时实现高分辨率和小型化成为可能。因为多个WGM谐振谱线的谐振深度、间距、线宽和谐振波长各不相同，由其构成的WGM散斑图案在每个光频率（或波长）上是独一无二的。研究团队利用了密集分布的WGM而非试图获得一系列干净的单模谐振，建立了WGM散斑与光学频率之间的关联性。未知频率的连续波激光和已知频率的超稳激光的WGM散斑，可以与预先记录的参考散斑进行比较，从而得到两个激光的相对频率差异，进而精准确定未知频率连续波激光的光学频率。在测量过程中，该方案还能够消除温度变化或振动等外部扰动引入的WGM散斑频移。如图1所示，参考散斑作为一个宽带和精细的“标尺”，用于确定未知激光器的校准频率f₁。该方案可以独立应用于基于紧凑型WGM谐振腔的宽带高分辨波长计工作。团队使用直径为1.5 mm的微棒谐振腔实现了在数十纳米带宽上亚飞米级分辨率，展现了WGM谐振腔与超精细电光梳结合进行光谱学研究的潜力。

图1 结合电光梳和WGM散斑的光谱测量技术

研究内容

       针对系统的高分辨率，研究团队展示了对高Q值F-P腔的谱线测量结果。方案使用定制波形驱动电光调制器，产生梳齿间隔为100 kHz，带宽为2.5 GHz的超精细电光梳（见图2a）。通过温度调谐光纤激光器的中心频率，实现了扩展带宽的光谱分析。在每个中心波长处，在1 ms的记录时间内进行一次光谱测量和波长确定，每次采集解析了25000个光梳梳齿。117 GHz带宽下的反射光谱是通过47次在不同中心波长的连续采集得到的（见图2c）。由于进行了频率校正，重叠区域的谐振谱线可以相互吻合（见图2d，e）。光纤F-P腔的非共振反射引入了反射谱在基线上的波动，从消除波动的基线上可以计算得到光谱测量的信噪比为227。所测量的超高Q值光纤腔由两个光纤布拉格光栅组成，其反射谱的谱宽约为60 GHz。测得光纤腔的自由频谱范围为105.6 MHz。图2e中谐振峰的线宽为250 kHz，对应谐振腔的Q值为7.7×10⁸。

图2 高Q值F-P腔反射光谱测量

       此外，该系统采用外腔激光器展示了宽带测量。激光器具有高达80 nm的可调范围。为了评估分辨率，研究团队测定了声光调制器引入了的1 MHz振幅频率调制，频率测定的测量速率提高至12.5 kHz，如图3所示。同时，团队采用1 MHz梳齿间隔的电光梳对H¹³CN气体的吸收谱线进行了测量，并将测量结果与标准数据库的参考结果进行比较，结果如图4所示。测试结果相对标准数据库的误差可以计算出光谱测量的信噪比为144。外腔激光器能够以100 nm/s的调谐速度快速到达80 nm带宽内的任意位置， 因此，方案同样适用于稀疏分布的谱线特征或传感器阵列的测量和解调。

图3 宽带外腔激光器的光频测定

图4 HCN气体吸收光谱测量

结论与展望

       研究团队成功验证了所提方案的高性能光谱测量可行性，通过结合超精细电光梳和散斑波长计高分辨率特性，突破了超精细电光梳的带宽限制。这种紧凑、高分辨率和宽带特性系统将为探索物理学领域和精确生物化学传感开拓广阔的应用前景。

期刊简介

Advanced Photonics（AP）创刊于2019年，是一本重点关注新兴光学领域的基础与应用研究成果、聚焦最新及快速发展的光学与光子学学科的国际OA期刊。期刊入选中国科协高起点新刊计划，2021年被SCI收录，2023年影响因子17.3，在全球100种JCR光学期刊中位列第4（Q1区），中国科学院一区。创刊以来AP发表了众多国际顶尖学者的高水平学术论文，并以采访、新闻、评论等丰富的形式，展现了光学与光子学领域的最近进展。姊妹刊Advanced Photonics Nexus（APN）接收AP的快速转投和自然来稿，致力于成为既发表基础研究类又发表工程应用类文章的综合性大刊。

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