光学频率梳由等间距相位相干的梳齿构成，可以精确测量光的频率，是光学计量和光谱测量领域之中最重要的光源。双光梳光谱学是一种使用光学频率梳光源的大带宽高分辨率光谱测量技术，可以记录两个重复频率中存在微小差异的光梳光源之间的干涉图样。在红外波段气体吸收光谱测量领域，人们使用双光梳光谱取得了显著的成果。

紫外光谱在研究原子中的电子跃迁和分子中的回旋跃迁中起着关键作用，提供了对物质结构的独特洞察，其应用范围涉及基础物理、地球大气光化学以及天文观测等领域，应用广泛。因此，将双光梳光谱技术拓展到紫外短波长波段，一直是学界渴望实现的目标。由于不存在可以直接在紫外波段发光的相干光源，因此非线性频率上转换是产生紫外激光的必要手段。然而波长越短，所需要的非线性转换过程越多，相应的功率损失越大，极大地限制了紫外双光梳光谱的实际应用。本文提出一种适用于极低光水平的双梳光谱新方法，通过使用光子计数技术，实现了兼具高分辨率和量子噪声极限的近紫外（NUV）双梳光谱，其运行光子通量比双梳光谱和其它基于频率梳的傅里叶变换光谱技术中常用水平低106倍以上[1]。

图1. 紫外光子计数双光梳光谱原理图[1]

该课题组通过使用近红外电光频率梳的非线性频率转换来说明近紫外双梳光谱的潜力。电光系统在紫外光下的转换效率很低，非常适合测试所提出的光子计数方法。两个重复频率略有不同的频率梳由连续波激光器产生，该激光器由电光调制器以193 THz（1550 nm）的中心频率施加强度和相位调制。声光调制器偏移一个频率梳的中心频率，以在没有混叠的情况下测量双梳的频谱。

图2. 近紫外光子计数双光梳光谱实验装置。(a)近紫外光梳光源的产生装置，(b)近紫外双光梳光谱装置图[1]产生的近红外频率梳分别先后经过PPLN晶体和BIBO晶体实现倍频，产生一对中心波长在 390 nm 附近的紫外光梳光源（如图3所示）。其中一个紫外光梳光源经过一个加热的铯原子气室后，与另一个重复频率有微小差异的紫外光梳光源叠加干涉，并由单光子计数器进行探测。这期间产生的光子计数非常少，平均一个光子计数需要 20 多个光梳的重复周期。当将完全相同的扫描计数过程重复 10 万次甚至 100 万次后，就能在统计直方图中观察到双光梳干涉信号。随着累积时间的增加，信噪比也可以得到进一步提高。对干涉信号傅里叶变换之后，可以得到梳状的射频频谱，其中记录着铯原子的吸收谱线。

图3. 近紫外谱线可分辨的光子水平双光梳实验光谱图。

(a)近紫外双光梳光谱图，(b)光谱放大后的三个梳齿线，(c)光谱捷变性示意图[1]当累积时间为100 s、分辨率为500 MHz并且光梳功率为45 pW时，该课题组测量了铯原子（133C）6S1/2-8P1/2 和 6S1/2-8P3/2跃迁谱线的幅度谱和相位谱，光谱测量的平均信噪比高达到 200，充分证明了该方案的有效性和可靠性。同时，所测得的光谱信噪比与光子计数率呈现平方根关系，证明了该实验的信噪比达到了量子噪声限制。在此基础之上，他们又测量了跃迁谱线的绝对光学频率，相对不确定度达到 10-9 ，验证了实验方案和结果的可靠性。真空和极紫外频率梳仅作为近红外飞秒锁模激光器的谐波产生，因此确定此类激光器是否适用于光子计数双梳光谱至关重要。

如图4所示，研究人员采用两个重频为100 MHz、中心频率为192 THz的掺铒锁模激光器，通过4 cm长的PPLN晶体倍频后，产生序列中心波长384 THz，频率差为-12.5 KHz。产生的其中一路可见光光梳通过铷蒸汽气体池后，两者在BS处产生干涉信号，一路进入光子计数器，第二路通过快速硅光电二极管检测为光子计数提供触发信号。可见光双光梳光谱使用了前向反馈双光梳技术确保两光梳的互相干性。

图4. 可见光双光梳实验装置干涉图的傅立叶变换揭示了具有解析频率梳线的透射光谱（图5），频谱跨度为0.12 THz，具有1200条远高于噪声水平的频率线（图5a）。测得的85 Rb和87 Rb中多普勒展宽的5S1/2–5P3/2跃迁吸收基线的平均信噪比为67，与计算得到的量子噪声极限信噪比69接近。

图5. 光子计数可见光双光梳光谱。

(a)双光梳光谱图，(b)铷5S1/2-5P3/2跃迁光谱放大图，(c)放大后的四条光梳线

综上所述，本文通过光子计数法在紫外波段实现了极低光水平下的高分辨率线性吸收双光梳光谱，取得了达到量子噪声极限的SNR，向极紫外光谱区域的宽光谱带宽的精确光谱迈出了重要一步，有望开启精密光谱、生物医学传感和环境大气探测方面的新应用。

参考文献：

[1] Xu, B., Chen, Z., Hänsch, T.W.et al. Near-ultraviolet photon-counting dual-comb spectroscopy. Nature 627, 289–294 （2024）. https://doi.org/10.1038/s41586-024-07094-9

       原文标题 : 超快非线性光学技术之五十六 近紫外光子计数双光梳光谱