超快非线性光学技术之一百零四 中红外光梳与压缩感知采样

双光梳光谱（Dual-comb spectroscopy, DCS）系统利用两个具有微小重复频率差异的光学频率梳，通过多外差探测将光学频谱信息映射到射频域，无需机械扫描即可实现宽带、高分辨率和快速的光谱测量。特别是在中红外和长波红外波段，丰富的分子振转吸收谱线为气体检测和分子识别提供了重要的“指纹”信息。

近期，两项工作分别从高稳定宽带测量和压缩数据采集两个角度，对长波红外双光梳光谱技术进行了拓展，实现了 7.5–11.5 μm 宽带长波红外双光梳光谱测量，并进一步展示了利用压缩感知降低数据采样量的可行性，为长波红外双光梳光谱向高速、低数据量和实用化方向发展提供了新的技术路线[1,2]。

研究团队首先构建了一套基于差频产生（DFG）的长波红外双光梳系统。实验中使用两台重复频率约为 250 MHz 的自由运行掺铒光纤锁模激光器，每台光梳分别分成约 1.55 μm 和约 2 μm 的两路，再通过高非线性光纤对长波长支路进行光谱展宽。两路脉冲随后在 4 mm 厚的扇出式周期极化 OP-GaP 晶体中进行差频产生，从而获得覆盖 7.5–11.5 μm 的长波红外频率梳。两路长波红外光梳经过 24 cm 气体池后，由制冷型 HgCdTe（MCT）探测器进行探测。
图1 中红外双光梳装置示意图[1]

由于两台光梳处于自由运行状态，其重复频率和载波包络相位会随时间发生变化，使双光梳之间的相对时间延迟不断漂移。如果直接对干涉图进行长时间平均，干涉条纹会逐渐失去相干性，从而导致光谱分辨率和信噪比下降。

针对这一问题，研究团队引入了两个波长分别为 1530 nm 和 1565 nm 的连续波（CW）参考激光器。参考激光分别与两台光梳产生拍频信号，通过同步记录多个射频拍频信号，在后处理中提取两台光梳之间的相对时间和相位变化，并据此对干涉图进行相位校正和时间轴重采样。该方法不需要将光梳锁定到参考激光，而是利用参考激光提供的拍频信号对自由运行光梳进行后处理校正，从而恢复稳定的双光梳相干性。

经过相干校正后，系统实现了覆盖 7.5–11.5 μm 的宽带长波红外双光梳光谱测量。该系统的光梳间隔为 250 MHz，对应的光谱采样间隔约为 8.34×10 cm，实现了梳齿分辨的光谱测量。

研究团队首先利用 SO 气体对系统性能进行了验证。在 24 cm 气体池中，通过 44 ms 的采集即可获得覆盖整个测量范围的光谱，共获得约 35,014 个解析光谱点。进一步通过 Voigt 线型拟合对吸收谱进行分析，测得的 SO 浓度与实际配置浓度符合良好。
图2 单组分光谱测量结果[1]

在此基础上，研究人员进一步对 CH、NO 和 CH 三种气体进行了同时检测。在 8–10 μm 范围内，可以清晰分辨不同气体的特征吸收线，并实现多组分气体的定性识别与定量分析。

图3 多组分光谱测量结果[1]

在实现宽带、高分辨率测量之后，研究团队进一步关注双光梳系统面临的另一个问题：大量的时域采样数据。传统双光梳光谱通常需要对干涉图进行均匀、高密度采样。随着光谱带宽和测量时间增加，原始数据量也会迅速增长，从而给高速数据采集、传输和存储带来压力。如果能够只采集少量具有代表性的时域数据，并从中恢复完整的干涉图和光谱，就有可能显著降低系统的数据负担。

针对这一问题，研究团队进一步将“压缩感知”（Compressive Sensing, CS）引入长波红外双光梳光谱[2]。核心思想是：如果待测信号在某个合适的变换基下具有稀疏性或可压缩性，那么就不需要获取全部采样点，而可以利用少量非均匀采样数据，通过优化算法重建完整信号。

在该工作中，研究人员首先获取完整的均匀采样双光梳干涉图，然后按照一定的概率分布从中选择部分采样点，以模拟压缩采样过程。采样点主要集中在干涉图中心 burst 附近，而远离中心的区域则采用更加稀疏的采样方式。

实验结果表明，即使大幅减少时域采样点，仍然可以恢复出具有较高保真度的分子吸收光谱。研究人员首先以 NO 为对象进行验证。在不同压缩因子（Compression Factor, CF）下对光谱进行重建。当压缩因子达到 20 时，仅保留约原始数据量的 5%，仍然能够较好地保持 NO 的吸收特征，重建光谱与完整采样结果之间的残差保持在较低水平[2]。

值得注意的是，目前该工作中的压缩采样主要通过对已经获得的完整干涉图进行稀疏重采样来验证方法，即在数据处理层面模拟未来的压缩采集过程。因此，该研究重点证明了“如果只获得部分采样点，是否仍能够恢复有效光谱”这一问题。未来如果将压缩采样策略进一步与高速数据采集硬件结合，则有望从源头减少需要采集、传输和存储的数据量[2]。

总体而言，上述两项工作分别从测量能力和数据处理效率两个方面推动了长波红外双光梳光谱技术的发展，形成了从“宽带、稳定地测”到“少采数据地测”的技术路线：前者提升了长波红外双光梳光谱的测量范围和相干测量能力，后者则探索了降低数据采集和处理负担的新方法。未来，若进一步将压缩采样算法与专用高速采集硬件相结合，并优化实时重建算法，有望推动长波红外双光梳光谱向高速、低数据量和便携化方向发展。

参考文献[1] Syed Tajammul Ahmad, Zhenhai Wang, Luca Moretti, Davide Gatti, Marco Marangoni, Aamir Farooq. Broadband long-wave infrared dual-comb spectroscopy for multi-species detection. Applied Optics, 2026.[2] Zhenhai Wang, Syed Tajammul Ahmad, Luca Moretti, Davide Gatti, Marco Marangoni, Aamir Farooq. Compressive dual-comb spectroscopy in the long-wave infrared region. Optics Letters, 2026.

       原文标题 : 超快非线性光学技术之一百零四 中红外光梳与压缩感知采样