用光子学芯片开启红外光谱测量——通信学院郭教授在国际光学学会期刊《OPTICA》发表学术论文

发布日期: 2020/09/22  投稿: 梁鑫鑫    部门: 通信与信息工程学院   浏览次数:    返回

自然界中,分子由于内在的结构振动会引起光的吸收,并且这种吸光性具有“指纹作用”,即不同的物质分子呈现出独特的吸收光谱。因此,光谱测量成为检测物质成分的一项重要手段,被广泛应用于食品安全、空气检测、以及化工过程监控等各个领域。光谱测量的一个重要波段是在中红外,对应于波长2-20微米的光波。分子对这些光波的吸收相比其他波段要高出100-1000倍,因此特别适合检测低浓度、成分复杂的物质,或是监测分子的天然同位素(通常浓度极低)。然而,实现中红外光谱测量的重要前提是能够有效地产生中红外激光光源,并对光源的功率、带宽、稳定程度等性能有着较高的要求,这也是当前激光技术所面临的一大挑战。


(图片说明:基于集成光子学芯片的光学频率梳可以实现超大带宽,

覆盖可见光、近红外和中红外波段,并实现中红外波段的双频梳光谱测量。)


近日,通信学院郭教授联合瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)光子学与量子测量实验室,实现了一种基于集成光子学芯片的中红外光学频率梳光源,克服了这一难题。这项工作于近期发表在国际光学学会期刊《OPTICA》上(2020年9月刊)。光学频率梳是指在频谱上具有一系列等间隔频率的激光元素,其具有带宽大、频率稳定等性能优势,是最为理想的光谱测量光源。郭教授及其合作团队设计了一种复合多芯结构的集成光学波导,通过有效的波导色散管理,成功地将常规波段的激光光源转扩展到了中红外波段。由于在常规波段,例如近红外的光通信波段,激光技术已经十分成熟,并且有商用的紧凑型激光器设备,因此团队提出的这一方法,可以极大地降低中红外激光光源的技术难度。“我们把紧凑型的光纤激光器和集成光学芯片结合起来,未来有希望做成一种便携式的中红外光学频率梳,从而走出实验室,应用到更复杂的环境中进行光谱检测。”郭教授表示。

在这项工作中,团队不仅实现了大带宽、高平坦度的中红外光源,而且采用两组光学频率梳,搭建了一款中红外双频梳光谱仪,实现了快速、高分辨的光谱检测。测量的波长范围是中红外2.8-3.6微米,其中包含了100万个频率梳的激光元素,探测灵敏度达到了十万分之一量级(10ppm),具备了探测例如大气中一氧化碳含量的能力。此外,团队利用双频梳光谱仪还成功探测到了气体分子的多种同位素,如碳13甲烷(13CH4),和氘甲烷(12CH3D),其含量分别为普通分子浓度的1.11%和0.06%。同位素虽然在自然界中虽然含量极低,但却是星系形成过程中的重要产物,因此监测分子同位素对于地球科学的研究具有重要作用。

这项工作开展于2018年,郭教授时任EPFL光子学与量子测量实验室的博士后研究员,合作导师是非线性集成光子学领域著名的Kippenberg教授。之后,郭教授加入了上海大学特种光学与光接入网重点实验室,目前组建了超快光频梳课题组,继续开展微纳光学频率梳技术的相关研究。参与这项工作的还有当时课题组的翁文乐博士、刘骏秋博士,以及来自光纤实验室的杨帆博士,他们与郭教授一起完成了光子学芯片的设计、加工,中红外光学频率梳实验,双频梳光谱仪的搭建,以及中红外的光谱测量和数据分析等主要工作。论文的合作单位有光学频率梳的龙头企业,德国Menlo Systems公司。EPFL的Kippenberg教授、Thévenaz教授、Brès教授以及Menlo公司的CEO Holzwarth博士对这项工作进行了指导。这项工作也得到了美国、欧盟、瑞士以及中国在内的多个项目资助。

论文原文:Hairun Guo, Wenle Weng, Junqiu Liu, Fan Yang, Wolfgang Hänsel, Camille Sophie Brès, Luc Thévenaz, Ronald Holzwarth, and Tobias J. Kippenberg, "Nanophotonic supercontinuum-based mid-infrared dual-comb spectroscopy," Optica 7, 1181-1188 (2020).https://doi.org/10.1364/OPTICA.396542