非線性光學(xué)激光加工技術(shù)中紅外交叉光梳光譜切割技術(shù)的測(cè)量,測(cè)量結(jié)果具有較高的信噪比和品質(zhì)因數(shù)。
圖1(a)為CCS的原理圖。中紅外目標(biāo)光梳(包含光譜信息)與本地近紅外光梳通過二者之間的和頻被上轉(zhuǎn)換到近紅外波段;近紅外和頻光梳再與頻譜擴(kuò)展后的本地光梳(讀取光梳)干涉,從而將中紅外波段的信息轉(zhuǎn)移到近紅外波段。如圖1(b-d)所示,同一目標(biāo)梳齒產(chǎn)生的多個(gè)和頻梳齒與最近的讀取梳齒的距離相同,因此它們被映射到相同的射頻梳齒,從而建立起從中紅外域到射頻域的一一映射。對(duì)比有樣品和無樣品的結(jié)果,便可以得到樣品的光譜響應(yīng)信息。
圖1(e)為時(shí)域中的CCS。目標(biāo)脈沖被本地脈沖取樣產(chǎn)生和頻脈沖,再與讀取脈沖干涉,得到射頻干涉圖。對(duì)比典型的CCS干涉圖和DCS干涉圖可知:DCS干涉圖的基線是延遲無關(guān)的,而CCS干涉圖的基線是延遲相關(guān)的。激光切割加工不過,時(shí)域基線的延遲相關(guān)性可以通過平衡檢測(cè)來消除。
圖1 CCS的原理[1]
圖2(a-c)對(duì)比了CCS與另外兩種上轉(zhuǎn)換方法的探測(cè)效率和帶寬。作者定義了一個(gè)功率增益函數(shù)G(ω),保持三種情況下G(ω)的帶寬相同,連續(xù)波和EOS方法對(duì)應(yīng)的G(ω)的最大值和總面積均不及CCS,這意味著CCS的增益能力在三者中最強(qiáng)。另外,EOS情況的G(ω)與目標(biāo)頻譜并不完全重疊,使得大部分帶寬沒有得到有效利用。
比較CCS和DCS干涉圖中包含分子特征信息的自由感應(yīng)衰減(free induction decay,F(xiàn)ID)部分。如圖2(d)所示,DCS中的弱FID信號(hào)位于強(qiáng)背景之上,而 CCS中的FID信號(hào)并沒有額外的背景,說明CCS能夠以“無背景”的方式檢測(cè)FID,本質(zhì)上不會(huì)像DCS一樣受到較高光功率導(dǎo)致的探測(cè)飽和度或相對(duì)強(qiáng)度噪聲帶來的限制。如圖2(e)所示,DCS中的背景占據(jù)了探測(cè)器動(dòng)態(tài)范圍的很大一部分,導(dǎo)致FID的動(dòng)態(tài)范圍很??;而CCS原則上可以利用探測(cè)器的全部動(dòng)態(tài)范圍。
圖2 短脈沖CCS與其他雙梳技術(shù)在檢測(cè)效率、帶寬、信噪比和動(dòng)態(tài)范圍方面的對(duì)比[1]
為了在實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證中紅外CCS,作者測(cè)量了大氣中的
(4.25 μm附近)。圖3(a)為干涉圖截圖,圖3(b)為某一段干涉圖的放大圖,圖3(c)和圖3(d)分別為中心聚集部分和FID部分的放大圖。實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的信噪比比最新的EOS工作多了四倍以上、上轉(zhuǎn)換效率比最近的連續(xù)波上轉(zhuǎn)換DCS工作高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上。圖3(e)是對(duì)498個(gè)連續(xù)干涉圖進(jìn)行傅里葉變換得到的頻域結(jié)果,無樣品情況下頻譜的平均信噪比為28.9。圖3(f)展示了分子吸收光譜的測(cè)量、理論和擬合結(jié)果。
圖3
的CCS實(shí)驗(yàn)結(jié)果[1]
圖4對(duì)比了四種基于雙梳的中紅外光譜技術(shù)(DCS、連續(xù)波DCS、EOS和CCS)的基本原理和特點(diǎn)。實(shí)際上,CCS可被認(rèn)為是頻率轉(zhuǎn)換雙光梳的一般形式。連續(xù)波DCS和EOS本質(zhì)上是CCS的兩種特殊情況:前者是將本地光梳換成連續(xù)光,后者是用一個(gè)光梳同時(shí)發(fā)揮本地和讀取兩個(gè)光梳的作用。與直接的中紅外DCS相比,CCS不需要第二個(gè)中紅外光梳,也不需要中紅外探測(cè)器,規(guī)避了中紅外檢測(cè)器性能較差這一問題