太赫兹半导体激光光频梳研究进展

光频梳由一系列等间距、高稳定性的频率线组成.由于具有超高频率稳定性和超低相位噪声,光频梳在精密光谱测量、成像、通信等领域具有重要应用.在太赫兹波段,基于半导体的电抽运太赫兹量子级联激光器具有大功率输出、宽频率覆盖范围等特点,是产生太赫兹光频梳的理想载体.本文主要介绍基于太赫兹半导体量子级联激光器光频梳的研究进展,详细列举了自由运行、主动稳频和被动稳频模式下产生光频梳的方法.双光梳光谱可以克服传统太赫兹光谱仪需要机械扫描系统而难以实现实时光谱检测的难题,是光频梳应用的主要方向.在光频梳基础之上,本文还介绍了采用两个太赫兹量子级联激光器产生双光梳的方法和应用.     

自适应双光梳光谱原理分析与实现

采用自适应双光梳光谱检测方法对乙炔(C_2H_2)气体在ν_1+ν_3吸收带部分的P支谱线进行测量,并通过与HITRAN相应数据库的对比,验证了该方法的准确性。从采样定理出发,分析了自适应主动补偿技术的工作机理,并讨论了其高阶信号和带宽的特性。使用非线性光纤对光梳进行200nm范围的超连续谱展宽,拓展了其宽谱特性。时域信号单次采样时长为600μs,光谱分辨率达1.09GHz,光谱更新频率为180Hz。自适应补偿技术有效解决了自然室温条件下梳齿快漂引起的光谱抖动问题。同时,光梳振荡源重复频率锁定后均方差抖动控制为7.01 MHz,锁定光梳振荡源的重复频率和反馈调节控制连续激光的中心频率,可有效抑制光梳梳齿的慢漂现象,使双光梳光谱测量系统的稳定运行时间由几分钟提升至半小时量级,增强了自适应双光梳系统的长期稳定性和实用性。     

5.33μm处磁旋转吸收光谱NO分子探测研究（英文）

本文基于直流磁场的磁旋转吸收光谱技术探测研究一氧化氮分子的痕量.使用5.33μm连续波量子级联激光器作为探测光源,结合C hernin型光学多通池,在1875.81 cm~(-1)(~2Π_(3/2)(3/2),v=1←0)波长处进行探测.108 m吸收光程下,实现了1.15 ppbv的探测极限(1s,1σ).当采样时间延长到15 s,探测极限可提高至0.43 ppbv.     

乙腈及其同系分子的力常数与振动频率的计算

CH_3CN系分子的振动频率是很多研究工作者所关心的问题。近年来,基于分子转动结构的红外光谱研究,对于分子振动基频有了进一步实验的论证,并且其氘取代物的振动光谱也有报导。但不同作者对于一些基频的位置,特别是对ν_6(E),ν_7(E),还缺少完全一致的认识。例如,在工作[7,3]中把CH_3CN的ν_6(E)确定为1413cm~(-1)。而工作[4,5]则确定为1455cm~(-1)处。属于CH_3CN的ν_7(E),在工作[3,4]中确定于1050cm~(-1),而液态联合散射光谱测得的结果为1124cm~(-1)。对CH_3NC的ν_7(E),     

双重频率锁定的腔衰荡吸收光谱技术及信号处理

针对传统腔衰荡光谱技术浓度获取率低,提出基于双重锁定的连续波腔衰荡吸收光谱技术.通过波长调制一次谐波信号将激光器的频率锁定到C_2H_2吸收线上,同时使用PDH锁频技术将衰荡腔锁定到激光器上,从而避免了测量过程中激光器的频率漂移和腔长的抖动,使测量结果更加精确;并且,由于双重锁定,单次衰荡事件的发生率,也就是浓度信息的获取率只受衰荡时间以及重新锁定时间限制,在本试验系统中采集速率可以达到30 k Hz,可以实现对气体浓度的快速测量.为了提高信噪比,采用Kalman滤波技术,对浓度信息进行实时处理,有效抑制了噪声,根据阿伦方差分析,探测灵敏度可以达到4×10~(-9)cm~(-1)(2 s平均).     

乳胶C-H面外摇摆振动模式ATR二维红外光谱研究

在303~393K温度范围内,采用变温傅里叶变换衰减全反射红外光谱(ATR-FTIR)技术,研究了乳胶的分子结构。实验发现:在3500~600cm~(-1)的频率范围内,乳胶主要存在着C-H伸缩振动模式(ν_(C-H))、C=C双键伸缩振动模式(ν_(C=C))、CH_2弯曲振动模式(δ_(CH2))、CH_3弯曲振动模式(δ_(CH3_)和双键上C-H面外摇摆振动模式(ω_(C-H))等五种。本文主要以乳胶ω_(C-H)为研究对象,进一步开展相关二维红外光谱的研究,考查温度对于乳胶分子结构的影响。研究发现:乳胶ω_(C-H)在837cm~(-1)和841cm~(-1)频率处有红外吸收峰,而随着测定温度的升高,乳胶ωC-H红外吸收强度的变化快慢顺序为:837cm~(-1)841cm~(-1)。此项研究拓展了ATR-FTIR技术在乳胶热变性方面的研究范围。     

聚对苯二甲酸乙二醇酯C=O伸缩振动模式ATR二维相关红外光谱研究

采用变温傅里叶变换衰减全反射红外光谱技术(ATR-FTIR)结合二维相关红外光谱技术,分别研究了聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)的羰基红外伸缩振动模式(νC=O)。研究发现:玻璃转化温度(Tg)以下时,PET的νC=O的红外吸收频率包括1700cm~(-1)、1709cm~(-1)和1718cm~(-1),而随着测定温度的升高(313~343K),其红外吸收强度变化快慢顺序为:1709cm~(-1)1700cm~(-1)1718cm~(-1);而当在Tg以上时,PET的νC=O的红外吸收频率包括1709cm~(-1)和1718cm~(-1),而随着测定温度的升高(353~393K),PET的νC=O红外吸收强度变化快慢顺序为:1718cm~(-1)1709cm~(-1)。本项研究拓展了ATR二维相关红外光谱技术在PET高分子材料热变性研究的范围。     

甲氧基(CH_3O)的红外吸收光谱研究

为研究甲氧基CH_3O的红外吸收光谱,以Nd:YAG激光器为光源,使用间质隔离法对p-H_2间质中的CH_3ONO进行光解,在光解产物中观测到CH_3O和NO的红外吸收谱.其中CH_3O红外吸收谱线及分析所得的各自振动模式分别为:689.3/694.6 cm~(-1),振动模式为电子态E1/2a1对称性的ν6;945.9/951.7cm~(-1),振动模式为电子态E1/2a2对称性的ν6;1041.8 cm~(-1),振动模式为电子态E3/2对称性的ν2;1224.7cm~(-1),振动模式为电子态E3/2e对称性的ν6;1235.5 cm~(-1),振动模式为电子态E1/2e对称性的ν6;1347.7cm~(-1),振动模式为电子态E1/2a1对称性的ν5;1365.4 cm~(-1),振动模式为电子态E3/2对称性的ν2;1427.5cm~(-1),振动模式为电子态E1/2对称性的ν2;1522.3 cm~(-1)振动模式为电子态E1/2e对称性的ν5.     

三例同构稀土/钨氧簇化合物二维红外相关光谱研究

多酸化合物(POMs)是一类重要的多金属氧簇,由过渡金属在其高氧化态(V~Ⅴ, Nb~Ⅴ, Ta~Ⅴ,Mo~Ⅵ,Mo~Ⅴ及W~Ⅵ)与氧桥联的簇阴离子组成。在前人研究基础(H_2en)_2{SiW_(11)O_(39)Sm(H_2O)_2}·(H_3O)·6H_2O之上,改变稀土盐,成功合成了与其同构的三例晶体(H_2en)_2{SiW_(11)O_(39)Ln(H_2O)_2}·(H_3O)·6H_2O[Ln=Ce(1), Pr(2), Nd(3)], X-射线单晶衍射实验测得四者属于三斜晶系,■空间群,晶胞参数一致,表明它们晶体结构相同; X-射线粉末衍射实验显示四者峰位相同,表明物相一致。此类同构的晶体,由于簇阴离子相同,仅取代的稀土离子不同,在许多表征方式上,显示出类似的现象,例如一维红外光谱吸收曲线相似,在1 039, 949, 889和787 cm~(-1)均出现了归属于Keggin簇阴离子骨架的振动吸收,在3 600～3 300和1 600～1 630 cm~(-1)附近均出现ν_(as)(O—H)及δ(O—H)的吸收峰,在3 277, 2 927和2 855 cm~(-1)内均出现了乙二胺配体N—H和C—H伸缩振动峰。但是磁微扰下的二维红外相关光谱,磁性粒子对磁场响应很敏感,热微扰下的二维红外相关光谱,易于捕捉氢键振动模式的细微变化。因此,二维红外光谱可以用于精细测定分子结构,并且此类同构钨氧簇合物的二维红外光谱对比分析还未见报道。磁微扰下的二维红外相关光谱,化合物1在468, 560和810 cm~(-1)出现响应峰,分别归属于ν_(as)(Ce—O),骨架ν(W—O),ν_(as)(W—O_b)。化合物2在450,464和475 cm~(-1)出现ν_(as)(Pr—O), 570和675 cm~(-1)处响应峰归属于骨架ν(W—O)。化合物3在452, 468和472 cm~(-1)处响应峰归属于ν_(as)(Nd—O), 518, 533, 545, 565和695 cm~(-1)响应峰为骨架ν(W—O)。化合物1, 2, 3归属于骨架ν(W—O)的响应峰数目增多,这是由于磁微扰下的二维红外光谱, Ce~(3+), Pr~(3+), Nd~(3+)价电子组态分别为4f~1, 4f~2, 4f~3,价电子数增加,磁性粒子Ln~(3+)对邻近W—O键影响变大。热微扰下的二维红外相关光谱,化合物1, 2, 3均在400 cm~(-1)左右出现了ν_(as)(Ln—O)响应峰, 810, 860和940 cm~(-1)左右均出现了ν_(as)(W—O_b)和ν_(as)(W—O_d)的响应峰,这是由于三个化合物的簇骨架相同,氢键相同。但是化合物1, 2, 3的ν_(as)(W—O)振动响应最强峰分别出现在810, 850和855 cm~(-1),这可能由于取代在簇骨架上的Ln离子极性不同,对邻近W—O键偶极矩产生不同影响。因此通过二维红外光谱,可以很好地对此类同构的稀土取代钨氧簇的异同点进行分析。     

单腔双光梳激光器及其光谱学应用研究进展

光频梳因频率等间隔、波长稳定、谱线线宽窄以及谱宽大等特性,在高精度测量和计量中具有广泛的应用。其中,双光梳快速测量包括光谱测量、绝对测距、三维成像和超快异步光学采样等已成为研究热点之一。近年来,基于自由运行的单腔双光梳激光器的双梳光谱学系统由于具有结构简单、测量范围大和精度高等优点而备受关注。首先从时域和频域介绍了光频梳的特性和应用,尤其介绍了双光梳测量的优势,相较目前主流的稳频稳相锁模激光器、电光调制等双光梳光源实现方案,单腔双光梳激光器方案有望避免采用复杂的电子控制系统,简化双光梳光源的结构、体积和成本。因此,重点介绍了波长复用、偏振复用、空间复用和脉冲波形复用的单腔双光梳光纤激光器实现技术,并对其基本原理、性能参数和当前研究的进展以及目前发展中仍然存在的问题进行了分析;同时对保偏光纤双光梳激光器的研究现状及其性能进行了总结。接着,重点介绍了双梳光谱学的测量原理,回顾了现有光谱扩展技术,并详细介绍了基于自由运行的单腔双光梳激光器的双梳光谱学应用案例,包括掺铒光纤激光器所在的近红外波段以及其扩展到中红外和太赫兹波段的光谱探测。最后,总结了目前的单腔双光梳激光器的主要发展趋势,包括进一步提高单腔型双光梳激光腔的重频稳定性、降低共模噪声、探索单腔双光梳系统在中红外以及太赫兹波段的应用,推动单腔双光梳锁模光纤激光器的实用化。     

对甲氧基苯甲腈的单色共振双光子电离光谱

对甲氧基苯甲腈是一种重要的化学化工原料,本文采用超声分子束技术和共振多光子电离方法获得了对甲氧基苯甲腈的单色共振双光子电离光谱,基态S0到电子激发态S1的0←0跃迁被确定为(35549±2)cm~(-1),结合含时密度泛函理论计算结果对观察到的光谱进行了振动模式标识和描述.实验发现呼吸振动模非常易于激活,其基频和二次泛频光谱很强,三次泛频也可明确标识,观察到大量呼吸振动与其他正则模的结合振动,这是对甲氧基苯甲腈不同于常见的多原子分子的一个重要特性.这些结果为研究对甲氧基苯甲腈的里德堡态、动力学和零动能光谱等提供了重要的参考数据.     

双重复频率锁模Yb:YAG陶瓷激光器

近年来,双重复频率锁模激光器在诸如双光梳光谱和异步光学采样等应用领域吸引了广泛关注.基于单一激光腔的双梳系统能大大降低成本,简化系统结构,且性能优异.双重复频率锁模激光器为发展紧凑型和实用型双梳装置开辟了道路.本文报道了一种可用作双光梳光谱系统光源的双重复频率锁模Yb:YAG陶瓷激光器.该激光器基于半导体可饱和吸收镜锁模技术,采用双通道抽运结构,利用新型非水基流延成型制备的Yb:YAG透明陶瓷,在单一的五镜腔中,当吸收抽运光功率为5.6 W时,实现了自启动、稳定运转的双重复频率锁模脉冲Pulse1和Pulse2,其重复频率分别为448.918和448.923 MHz,重复频率差为5 kHz.在吸收抽运功率为7 W时,得到最大的总平均输出功率170 mW,其中Pulse1和Pulse2的功率分别为89和81 mW,相应的光谱宽度分别为1和1.16 nm.性能相似的双重复频率脉冲彼此间保持了良好的相干性,实验结果证明了双通道抽运在双重复频率锁模激光器应用中的可行性,此种新型双重复频率激光器在双光梳光谱和测距等领域具有较好的应用潜力.     

用于α和μ常数变化测量的碘离子光谱研究

分子离子I_2~+的禁戒跃迁光谱有可能用于测量α和μ常数的变化,并且具有增强的灵敏度.通过分析I_2~+在11860—13100 cm~(-1)范围内的转动光谱,拟合了A~2Π_(3/2)-X~2Π_(3/2)系统31个振转带的5759根吸收谱线,得到5个属于X~2Π_(3/2)态和9个属于A~2Π_(3/2)态的振动能级准确的转动光谱常数.在量子噪声极限和1 Hz跃迁线宽的条件下,计算得到X~2Π_(3/2)和X~2Π_(1/2)之间的禁戒跃迁对α和μ常数变化测量的灵敏度为δ_(α/α)≈2.37×10~(-19)a~(-1)和δ_(μ/μ)≈1.18×10~(-18)a~(-1).     

Dual Ti:sapphire comb lasers by a fiber laser pumping scheme and a hand-sized optical frequency reference

A dual-comb laser system containing two femtosecond Ti:sapphire (Ti:S) lasers is reported, in which the ultrashort pulses are pumped by one common fiber laser and the influences of the different pumping noise are presented both in time-domain and frequency-domain. In addition, the dimensions of dual Ti:S comb system are reduced due to the implementation of one hand-sized optical frequency reference, from which the needed space and cost for two “self-reference” optics are saved.     

飞秒光学频率梳高精度气体吸收光谱技术进展

飞秒光学频率梳以其频谱宽、脉宽窄、频率稳定度高等优点,对光学频率计量、绝对距离测量、高精度光谱测定产生重大影响。飞秒光学频率梳的时域特性和频域特性溯源至微波频率基准,使得高精度气体吸收光谱探测成为可能。飞秒光学频率梳光谱技术具有测量速度快、光谱灵敏度高、分辨率高、信噪比高等优点,因此加大对飞秒光学频率梳光谱技术的研究力度将更好地服务于环境保护、工业生产、生物医学、科学研究等各领域。飞秒光频梳高精度气体吸收光谱主要可分为光频梳腔衰荡光谱、光频梳腔增强光谱和双光频梳多外差光谱。其中,根据采集方式不同,光频梳腔增强光谱又可分为梳齿游标测量法、虚拟成像相位阵列测量法和傅里叶变换测量法。目前,国外已广泛开展相关研究,而国内仍处于起步阶段。本文综述了飞秒光学频率梳高精度气体吸收光谱探测的主要技术方法,展示了不同测量方法典型的实验方案,分析了各探测方法的优缺点,并追踪了主要研究小组的前沿成果。     

Oscillating two-stream instability of a plasma wave in a plasmachannel

A long wavelength Langmuir wave (ω₀, k₀), propagating through a parabolic plasma density channel, can decay into a low-frequency mode (ω,k&oarr;) and two short wavelength Langmuir wave sidebands (ν_1,2,k&oarr;_1,2 ), via two-stream instability where ω_1,2=ω∓ω₀ and k&oarr;_1,2=k&oarr;∓k&oarr;₀. Depending on the mode number n, the growth rate maximizes in the range γ_max≃0.1ω_pi-0.4ω_pi for the range of k from 0.1(ω_pi/c_s) to 0.2(ω_pi/c_x) for ν₀~ν_th where ν₀ and ν_th are the oscillatory and thermal velocities of electrons, ω_pi is the ion plasma frequency on the axis, and c_s is the sound speed. The growth rate increases with the width a of the plasma density channel. It decreases with the mode number. The instability may be relevant to laser based charged particle accelerators     

Direct-comb molecular spectroscopy with accurate, resolved comb teeth over 43 THz

We demonstrate a dual-comb spectrometer using stabilized frequency combs spanning 177 to 220 THz (1360 to 1690 nm) in the near infrared. Comb-tooth-resolved measurements of amplitude and phase generate over 4×10(5) individually resolved spectral elements at 100 MHz point spacing and kilohertz-level resolution and accuracy. The signal-to-noise ratio is 100 to 3000 per comb tooth. Doppler-broadened phase and amplitude spectra of CO(2), CH(4), C(2)H(2), and H(2)O in a 30 m multipass cell agree with established spectral parameters, achieving high-resolution measurements with optical bandwidth generally associated with blackbody sources.     

Cr3+掺杂的Ca3Al2Ge3O12石榴石的光谱性质

在此报告钙铝锗石榴石Ca₃Al₂Ge₃O₁₂中Cr³⁺离子的光谱特性,依据不同浓度的样品在不同温度下发射光谱的实验结果,分析了不等价Cr³⁺发光中心零声子线R₁,R₂的位置变化情况。通过对Cr³⁺吸收和发射光谱的分析,估算了Cr³⁺所处格位的晶场强度参数Dq和Racah参数,同时,对低温下Cr³⁺R线边带振动光谱的精细结构的起因进行了分析和指认。在室温和低温下测得Cr³⁺的⁴T₂→⁴A₂和²E→⁴A₂能级跃迁的荧光衰减为单指数规律。