综述：用于高灵敏度光谱学的光谱峰值光学频率梳

《Advanced Photonics Research》：Spectral Peaked Optical Frequency Comb for Highly Sensitive Spectroscopy

周期性光谱峰值技术通过分子气体吸收和光纤非线性效应生成高信噪比的光谱峰，提升高灵敏度光谱学应用性能。该技术采用飞秒脉冲在气体中产生尖锐吸收，经光纤传播后形成周期性分布的窄峰结构，并开发了NPR、NPI、NOLM三种滤波技术实现背景抑制。通过将206MHz高重复率梳与光纤拉曼放大结合，实现了功率放缩至23dB的同时保持低噪声特性，为高精度光谱测量提供新光源。

　　光频梳是一种在计量学领域取得突破性进展的技术，其核心在于能够提供精确的频率间隔和高分辨率的光谱结构。光频梳由一系列等间距的频率组成，这种特性使其成为高精度测量、光谱分析和精密时间频率标准的重要工具。然而，传统的光频梳由于具有大量的梳齿，导致每个梳齿所携带的光能量非常有限，这在某些高灵敏度的光谱技术中，如腔衰荡光谱（CRDS）和饱和吸收腔衰荡光谱（SCAR）中，可能会成为限制因素。因此，如何在光频梳中实现梳齿的选择和光功率的增强，成为提高光谱技术性能的关键课题。

本文主要回顾了光频梳在高灵敏度光谱学中的最新进展，重点探讨了通过“光谱峰值”现象实现的光频梳优化方法。光谱峰值是指在超短脉冲通过分子气体细胞时，由于分子吸收特性，导致脉冲光谱中出现周期性尖锐的峰值。这一现象在光纤中进一步演化，形成了周期性变化的光谱峰，具有极窄的带宽，这为光频梳的梳齿选择提供了新的思路。与传统方法相比，光谱峰值技术能够有效提升光谱峰的强度和信噪比，同时减少背景噪声，从而显著提高光谱测量的灵敏度和分辨率。

光谱峰值的产生机制主要基于超短脉冲在光纤中的非线性效应。当超短脉冲在光纤中传播时，由于自相位调制（SPM）和交叉相位调制（XPM）的影响，脉冲的相位会发生变化。通过引入特定的相位调制手段，例如在脉冲中心施加π相位差，可以实现周期性的光谱峰值。此外，分子气体细胞的使用也可以产生类似的效应，其吸收特性使得脉冲光谱在传播过程中形成周期性的峰值。这种方法不仅能够生成高功率的光谱峰，还能够通过调整输入功率和光纤参数，实现对光谱峰的精细控制。

为了进一步提升光谱峰的性能，研究人员还开发了多种光谱峰值过滤技术。其中，非线性极化旋转（NPR）和非线性极化干涉仪（NPI）被广泛用于分离超短脉冲与光谱峰值，以提高信噪比。NPR利用脉冲在光纤中的极化旋转特性，通过偏振分束器（PBS）将背景噪声与光谱峰分离，从而实现高对比度的光谱峰值输出。NPI则基于非线性极化干涉效应，通过不对称的光路设计，使得超短脉冲和光谱峰分别通过不同的输出端口，从而实现背景噪声的有效抑制。这些技术的结合，使得光谱峰值的生成和过滤变得更加高效和稳定。

在光频梳的高重复率应用方面，研究人员开发了一种基于206 MHz的高重复率光频梳源。该梳源采用了全保偏（PM）类型的图9型掺铒光纤激光器作为种子源，并通过反馈稳定技术实现了重复频率（f_rep）和载波包络偏移频率（f_ceo）的高精度控制。此外，通过引入分子气体细胞，研究人员成功实现了光谱峰值的生成，并将其用于高灵敏度的光谱测量。在功率增强方面，开发了一种基于光纤拉曼放大器的方案，利用1.65 μm波段的拉曼增益特性，实现了对光谱峰值的低噪声、高保真度放大。该方案通过抑制受激布里渊散射（SBS）效应，确保了光频梳在放大过程中的相干性和稳定性，为高灵敏度光谱学提供了强有力的光源支持。

光谱峰值技术的应用不仅限于传统的光谱测量，还拓展到了双梳光谱学等新兴领域。通过将光谱峰值与双梳结构结合，研究人员在实验中观察到了显著的信噪比（SNR）提升和动态范围扩展。这表明，光谱峰值技术在提高光谱测量精度和灵敏度方面具有巨大潜力。此外，由于光谱峰值的带宽非常窄，它能够有效地与高反射率腔体耦合，从而进一步增强光谱测量的信噪比，为高精度的分子光谱分析提供了新的工具。

光谱峰值技术的发展为高灵敏度光谱学带来了重要的突破。通过结合分子气体细胞、高分辨率光谱滤波器和非线性光纤效应，研究人员成功实现了高功率、高对比度的光谱峰值生成。这些技术不仅能够提升光谱测量的精度，还能够有效降低背景噪声，提高信号的稳定性。在未来的应用中，光谱峰值技术有望在环境监测、生物医学成像和量子传感等领域发挥更大的作用。同时，随着光纤拉曼放大器的进一步优化，光谱峰值光频梳的功率增强和频率稳定性也将得到进一步提升，为更广泛的应用提供支持。

本文还介绍了光谱峰值技术的最新进展，包括其在光纤激光器中的应用、光谱峰值的生成和过滤方法，以及高重复率光频梳的开发和功率增强技术。这些成果表明，光谱峰值技术在高灵敏度光谱学中的应用前景广阔。通过进一步优化材料和系统设计，光谱峰值光频梳有望成为下一代光谱仪器的核心组件，为科学研究和工业应用提供更高的精度和可靠性。未来，随着相关技术的不断完善，光谱峰值光频梳将在更广泛的领域中得到应用，推动光谱学技术向更高灵敏度、更宽波段和更高稳定性方向发展。