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超强激光科学卓越创新简报

(第八百零九期)

2026年7月31日

上海光机所在高分辨双光梳光谱探测技术领域取得新进展

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所周佳琦研究员团队，在高分辨双光梳光谱探测技术领域取得新进展。相关研究成果以“Probing High-Resolution Spectra with Scanning Raman Gain Modulated Dual-Comb Spectroscopy”为题发表于Optics and Laser Technology。

双光梳光谱技术因其宽光谱覆盖、高光谱分辨率、高灵敏度和快速采集等突出优势，已成为极具应用前景的精密光谱测量手段。然而，传统双光梳光谱的分辨率直接受限于光学频率梳的重复频率。常见锁模激光光梳的重复频率通常在数十至数百 MHz 量级，致使光谱分辨率难以满足低压与冷原子光谱学、同位素分析、精细结构解析等领域对光谱分辨能力的需求。如果为了追求更高分辨率而降低重复频率，会导致探测光谱覆盖范围严重收窄、系统结构复杂且噪声性能恶化，难以兼顾宽光谱覆盖与高分辨率。

针对这一问题，研究团队使用基于单频种子注入的拉曼增益调制双光梳光谱，通过对单频激光施加阶梯式频率调谐，驱动光频梳的全部梳齿同步扫描，从而逐步填补梳齿间的光谱空隙，使光谱分辨能力不再受原始重复频率的限制。由于光学频率梳由成千上万光纵模组成，因此，在扫描过程中，单频激光的调谐无需精确控制。整个系统采用全保偏光纤器件，结构紧凑，具备良好的环境鲁棒性，系统原理如图1所示。

团队将该系统用于二氧化碳吸收光谱测量。通过 27 组频率扫描，系统在数分钟内自动完成了高分辨光谱信息的反演与拼接，在 ~776 GHz带宽范围内获得了~3.8 MHz 的光谱分辨率，信噪比达到 36 dB，所得高精度吸收谱线与理论预期高度吻合（图2）。整个测量与反演过程无需任何后处理校正算法，并且光学频率梳无需额外电学锁定。

该技术方案有效解除了传统双光梳系统中光谱覆盖范围与分辨率之间的相互制约，在保持宽光谱覆盖的同时，将分辨能力提升至 MHz 量级，且无需依赖复杂的主动稳定或算法补偿。其结构简洁、分辨率可按需调谐、对外部扰动耐受性强，为需求极高光谱分辨率的前沿应用提供了新的技术路径。相关工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院国际伙伴计划、上海市科技创新行动计划等项目的支持。

（图1：扫描高分辨拉曼增益调制双光梳光谱原理。(a)系统扫描流程时域图。(b)光谱扫描探测原理。(c)射频谱信号与高分辨光谱恢复过程。）

（图2：27组扫描探测结果。(a)波长计记录的阶梯式扫描数据。(b)27组系统数据采集时的波长波动。(c)27组扫描的波长变化。(d)27组扫描的波长标准差。(e)探测得到的27组双光梳光谱数据。(f)光谱数据。(g)探测到的多组气体吸收线。(h)单次双光梳光谱探测与27组扫描探测结果对比。）

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