虽然中红外双光梳光谱技术（dual-comb spectroscopy，DCS）在物理、化学、生物等科学技术领域颇有前景，但是在中红外波段产生两列符合要求的频率梳并不容易。并且，与成熟的近红外探测器相比，中红外探测器性能较差。克服这些限制的一种思路就是将中红外频率梳上转换至近红外范围，用近红外探测器检测，例如基于超短近红外脉冲的电光采样技术（electro-optic sampling，EOS）和基于高功率近红外连续波激光器的标准DCS技术。
本期分享的文章发展了交叉光梳光谱技术（cross-comb spectroscopy，CCS）[1]，用近红外探测器实现了对大气的测量，测量结果具有较高的信噪比和品质因数。
图1（a）为CCS的原理图。中红外目标光梳（包含光谱信息）与本地近红外光梳通过二者之间的和频被上转换到近红外波段；近红外和频光梳再与频谱扩展后的本地光梳（读取光梳）干涉，从而将中红外波段的信息转移到近红外波段。如图1（b-d）所示，同一目标梳齿产生的多个和频梳齿与最近的读取梳齿的距离相同，因此它们被映射到相同的射频梳齿，从而建立起从中红外域到射频域的一一映射。对比有样品和无样品的结果，便可以得到样品的光谱响应信息。
图1（e）为时域中的CCS。目标脉冲被本地脉冲取样产生和频脉冲，再与读取脉冲干涉，得到射频干涉图。对比典型的CCS干涉图和DCS干涉图可知：DCS干涉图的基线是延迟无关的，而CCS干涉图的基线是延迟相关的。不过，时域基线的延迟相关性可以通过平衡检测来消除。
图1 CCS的原理[1]
图2（a-c）对比了CCS与另外两种上转换方法的探测效率和带宽。作者定义了一个功率增益函数G(ω)，保持三种情况下G(ω)的带宽相同，连续波和EOS方法对应的G(ω)的最大值和总面积均不及CCS，这意味着CCS的增益能力在三者中最强。另外，EOS情况的G(ω)与目标频谱并不完全重叠，使得大部分带宽没有得到有效利用。
比较CCS和DCS干涉图中包含分子特征信息的自由感应衰减（free induction decay，FID）部分。如图2（d）所示，DCS中的弱FID信号位于强背景之上，而 CCS中的FID信号并没有额外的背景，说明CCS能够以“无背景”的方式检测FID，本质上不会像DCS一样受到较高光功率导致的探测饱和度或相对强度噪声带来的限制。如图2（e）所示，DCS中的背景占据了探测器动态范围的很大一部分，导致FID的动态范围很小；而CCS原则上可以利用探测器的全部动态范围。
图2 短脉冲CCS与其他双梳技术在检测效率、带宽、信噪比和动态范围方面的对比[1]
为了在实验中验证中红外CCS，作者测量了大气中的（4.25 μm附近）。图3（a）为干涉图截图，图3（b）为某一段干涉图的放大图，图3（c）和图3（d）分别为中心聚集部分和FID部分的放大图。实验测量得到的信噪比比最新的EOS工作多了四倍以上、上转换效率比最近的连续波上转换DCS工作高出两个数量级以上。图3（e）是对498个连续干涉图进行傅里叶变换得到的频域结果，无样品情况下频谱的平均信噪比为28.9。图3（f）展示了分子吸收光谱的测量、理论和拟合结果。
图3 的CCS实验结果[1]
图4对比了四种基于双梳的中红外光谱技术（DCS、连续波DCS、EOS和CCS）的基本原理和特点。实际上，CCS可被认为是频率转换双光梳的一般形式。连续波DCS和EOS本质上是CCS的两种特殊情况：前者是将本地光梳换成连续光，后者是用一个光梳同时发挥本地和读取两个光梳的作用。与直接的中红外DCS相比，CCS不需要第二个中红外光梳，也不需要中红外探测器，规避了中红外检测器性能较差这一问题；与连续波DCS相比，得益于使用了较短的本地脉冲，CCS具有时间门控功能和更高的上转换效率；与EOS相比，CCS不需要超短采样脉冲和椭圆测量术，实验操作更简单。
图4 四种基于双梳的中红外光谱技术的原理和特点对比[1]
如图5所示，作者还描绘了借助铌酸锂纳米光子学将整个CCS系统的大部分组件单片集成到单个光子芯片中的设想。
图5 片上CCS设想[1]
综上所述，这篇文章的作者介绍了中红外交叉光梳光谱这一新技术，并利用这种技术检测大气中的，测量结果具有宽带宽、高信噪比和高品质因数的特点。这项工作为在光源和探测器发展不成熟的波段进行高性能光谱测量开辟了道路。
参考文献：
[1] M. Liu, R. M. Gray, L. Costa, C. R. Markus, A. Roy, and A. Marandi, "Mid-infrared cross-comb spectroscopy," Nat Commun 14(1), 1044 (2023).
原文标题 : 超快非线性光学技术之四十四 中红外交叉光梳光谱技术