基于光学参量振荡器的高精度光谱技术

逍遥设计自动化

引言
9 e/ B* x* _$ M* c) l8 x1 f高分辨率激光光谱技术是现代物理学和物理化学研究的核心技术。通过光学参量振荡器(OPO)的技术发展，中红外光谱范围内的测量精度获得了显著提升。本文介绍基于OPO的高精度光谱系统，该系统在频率稳定性和精确度方面取得了突破[1]。

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4 K  T% L5 B/ o( v; }基本工作原理
( t" i$ b* e4 G0 p* q( g该光谱系统的核心是三种光频之间的相互作用：泵浦光(ωp)、信号光(ωs)和闲频光(ωi)。根据光子能级的能量守恒原理，这些频率遵循基本方程：ωp = ωs + ωi。理解这种关系对掌握系统的频率控制原理具有基础作用。
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图1：基本概念示意图。(a)展示泵浦光、信号光和闲频光之间的频率关系及控制策略；(b)展示OPO与稳定光频梳的锁相实现方案。
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5 x) L4 D  s. H: T0 O6 p该系统通过创新的频率控制方法实现高度稳定。不同于传统同时稳定泵浦光和信号光频率的方法，该系统采用锁相环控制泵浦激光频率，从而实现对闲频光频率的稳定。这种方法证明比传统方法更加有效可靠。
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  p* o: K/ ?( s$ Q! j! Z实验系统构建
8 ^8 W  n5 D9 |) R# X8 `完整的实验系统由多个相互配合的单元组成，每个单元在实现高精度测量中发挥特定作用。

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9 T+ j+ y' u9 v) j' o/ `图2：完整系统示意图，显示了多个单元的集成：OPO系统（上）、参考激光器和频率梳单元（中/下）、氢原子钟时间参考（右）。图中标注了光路、电子连接和控制系统。

实验装置包含四个主要单元。OPO单元包含主光学参量振荡器及相关部件，能够在中红外范围产生可调谐辐射，输出功率超过1W。第一个频率梳单元(OFC1)及其参考激光器(L1)提供主要频率参考，L1通过复杂的锁定技术稳定在超低膨胀腔上。
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第二个独立的频率梳单元(OFC2)及其参考激光器(L2)通过比较测量实现全面的性能表征。氢原子钟作为射频参考，向所有单元提供超稳定信号，并通过与国家时间标准比对确保SI单位的溯源性。

性能特征
0 h7 A' o; @8 f9 ?' l! j% |系统性能通过多项互补测量进行了严格表征，展示了在不同时间尺度上的卓越稳定性和精确度。

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图3：系统组件间拍频信号的多面板分析，显示了不同频率比对的线宽测量和相位噪声特性。结果证明了系统在各测量点的卓越稳定性。
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分析显示系统达到4 × 10-14量级的分数线宽和1 × 10-14的艾伦偏差。这些测量结果代表了精密光谱技术能力的重大进步。

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- b' S  G9 s4 ]  s, Z图4：连接系统单元的35米光纤中噪声效应的详细分析，通过自拍频测量说明了对频率稳定性的影响。
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图5：全面的稳定性分析，显示从秒到天的多个时间尺度上的分数艾伦偏差测量，展示系统的长期性能。
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+ e! a' }4 n% Q, T; }0 o; {长期稳定性和运行
系统在长期运行中展现出显著的操作稳定性，这对精密光谱的实际应用极其重要。

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图6：使用独立频率梳测量的光学频率比较分析，显示在不同平均时间内的测量结果在不确定度范围内吻合。
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* |* a$ B0 |6 q1 a: G图7：24小时期间的延伸稳定性测量，展示连续运行和从偶发锁定损失中的自动恢复。
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系统通过复杂的频率控制机制和自动恢复相位锁定功能维持稳定运行。工作循环超过99.93%，典型的失锁时间仅持续几秒钟。这种性能在多年运行中始终保持稳定，证明了设计的可靠性。

应用和未来展望
- t1 t. U# ?  N0 I( A" F  M此高精度系统实现了分子光谱学领域的多项突破，包括首次在分子离子中实现电四极振动跃迁的无多普勒光谱学。系统的卓越频率稳定性和精确度为基础物理研究提供了新的研究手段。
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9 S+ w0 g4 ?. l2 ~' u系统覆盖广泛的波长范围(2.2 - 3.9 μm)，适用于各种光谱应用。通过信号波稳定和差频产生技术，这项技术有望扩展到其他波长范围。
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: a9 k! @) V6 O结论
: L% \3 N7 T3 b' R" b5 O高精度光谱源的研发代表了精密测量技术的进步。通过同时实现超低线宽、超高频率稳定性、超高频率精确度和宽波长覆盖，为分子光谱学和基础物理研究提供了新的研究工具。

系统经证实的长期稳定性和可靠性，结合自动恢复功能，使其成为严苛科学应用的实用工具。这一成就为中红外区域的精密测量带来了新方向，为光谱技术的进一步发展奠定了基础。
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参考文献
[1] M. R. Schenkel, V. A. Vogt, and S. Schiller, "Metrology-grade spectroscopy source based on an optical parametric oscillator," Optics Express, vol. 32, no. 24, pp. 43350-43365, Nov. 2024.
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