光波段

成果名称 基于光纤激光器的可见光频率梳、20GHz可见光波段天文光学频率梳 单位名称 北京大学 联系人 马靖 联系邮箱 mj@labpku.com 成果成熟度 □研发阶段 □原理样机 &radic 通过小试 □通过中试 □可以量产 成果简介： 光学频率梳是很多高端研究的基础科学仪器，例如原子跃迁频率的精密测量、光钟的频率的测量、引力波的测量、微重力的测量、系外类地行星的探测等。利用频率梳测量频率时，需要频率梳的频率间隔在200MHz以上，以便波长计数器计量波数。特别地，类地行星观测需要20GHz以上频率间隔的频率梳来定标光谱仪，这个频率间隔一般的光纤激光器无法达到，目前只能依靠法布里-珀罗（FP）滤波装置进行频率倍增。由于FP透射光谱的有限线宽会导致边模泄露，从而影响天文光谱仪的定标精度，因此需要源激光频率梳本身的频率间隔尽量大，以抑制边模。可见，研制高重复频率（大频率间隔）的频率梳已经成为国际激光器和频率梳领域研究的热点和难点。目前该产品的国内市场基本上被德国Menlo System公司生产的基于掺镱光纤激光器的可见光域频率梳垄断，我国亟需研制出具有自主知识产权的光梳设备。 2011年，北京大学信息学院张志刚教授申请的&ldquo 基于光纤激光器的可见光频率梳&rdquo 得到第三期&ldquo 仪器创制与关键技术研发&rdquo 基金的支持。在基金经费支持下，通过关键配件的购置和加工，该项研究得以顺利开展。课题组瞄准研制稳定的、可供频率测量的、基于飞秒光纤激光器的可见光域激光频率梳这一目标，开展了一系列富有成效的工作，包括：（1）搭建高重复频率、1um波长的锁模光纤激光器，作为频率梳&ldquo 种子源&rdquo ；（2）研究初始频率和腔内色散的关系，以得到更高信噪比的初始频率信号；（3）利用合适的色散补偿元件对种子源输出的脉冲进行色散补偿，并进行多级反向放大，使其输出功率满足频率梳要求；（4）试验多种光子晶体光纤，以获得更宽的、覆盖可见光域的光谱。通过以上工作的开展，课题组成功研制出了国际首创的500MHz光学频率梳样机，而Menlo公司同类产品重复频率仅为250M。这一技术的产品化将打破外国公司在国内市场的垄断，填补国内外市场的空白。 在第三期项目工作的基础上，张志刚课题组的王爱民副教授申请的&ldquo 20GHz可见光波段天文光学频率梳的研制&rdquo 项目在2012年得到了第四期&ldquo 仪器创制与关键技术研发&rdquo 基金的支持。在第四期基金的支持下，项目组发展了前期500MHz高重复频率的光学频率梳的研究成果，开展了更加深入的工作，包括：（1）利用FP技术对500MHz重复频率的稳定光梳进行倍频，获得20GHz、1m波段的稳定光学频率梳；（2）对20GHz光学频率梳进行功率放大、脉冲压缩和倍频，实现515nm波段的蓝光飞秒光梳源；（3）利用拉锥光子晶体光纤对飞秒蓝光光梳进行可见光扩谱，达到400-750nm的光谱覆盖。通过这些工作，课题组成功研制出了一套可直接与天文望远镜对接的20G天文光梳频率标准系统，其工作达到该领域国际前沿水平。 这两期项目目前已经结题，其成果已进入产品化阶段，科技转化前景良好。相关成果受到了北京市科委的高度重视。 课题组瞄准研制稳定的、可供频率测量的、基于飞秒光纤激光器的可见光域激光频率梳这一目标，开展了一系列富有成效的工作。课题组成功研制出了一套可直接与天文望远镜对接的20G天文光梳频率标准系统，其工作达到该领域国际前沿水平。 应用前景： 光学频率梳是很多高端研究的基础科学仪器，例如原子跃迁频率的精密测量、光钟的频率的测量、引力波的测量、微重力的测量、系外类地行星的探测等。

激光是20世纪人类最重大的发明之一，60多年来，13项诺贝尔奖与激光技术密切相关。非线性光学晶体可用来对激光波长进行变频，从而扩展激光器的可调谐范围。近期，我国科学家成功创制了一种新型非线性光学晶体——全波段相位匹配晶体，为整个透光范围内实现双折射相位匹配提供了新思路。 　　该研究由中国科学院新疆理化技术研究所晶体材料研究中心潘世烈团队完成，相关成果于近期在国际学术期刊《自然-光子学》在线发表。 　　非线性光学晶体是获得不同波长激光的物质条件和源头。在晶体中实现应用波段相位匹配被普遍认为是重要的技术挑战之一，决定最终激光输出的功率和效率。目前有多种技术方案可供选择，其中利用晶体各向异性的双折射相位匹配技术是应用最广泛的弥补相位失配的有效途径。该方案转换效率高，但现有晶体均存在相位匹配波长损失，即可用晶体紫外截止边和最短相位匹配波长的差值表征。 　　团队前期在特邀综述(Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 20302-20317)中提出关于非线性光学晶体一种理想状态的假设，即在基于双折射相位匹配的非线性光学晶体中，是否可以实现“紫外截止边等于最短匹配波长”的理想状态？近期，该团队创制了一类新非线性光学晶体，即全波段相位匹配晶体。该类晶体基于应用广泛的双折射相位匹配技术，且可以实现对晶体材料透过范围内任意波长的相位匹配。该研究揭示了全波段相位匹配晶体的物理机制，并以此为指导获得一例非线性光学晶体(GFB)。基于晶体器件实现了193.2-266 nm紫外/深紫外激光输出，该材料193.2 nm处晶体透过率

一、摘要波段收集技术通过观测用户自订的吸光波段来净化化合物。数据以单一轨迹形式展示，以便于实现更有效的分析收集。此外，应用信号处理技术可消除由于溶剂吸收紫外线导致的基线漂移现象。二、概述CombiFlash系统中波段收集功能能够计算光电二极管阵列检测到的所有波长的平均吸光度。通过对信号进行处理，可以消除由溶剂吸收引起的基线漂移现象。这样便产生了一个单一的图谱或是色谱信号，使得多功能液相色谱或快速色谱系统中的分部收集程序能够精确地收集以纯化产物。在以下情况下，波段检测显得尤为重要： n化合物或是分析物光谱未知时，例如从自然产品中提取的化合物。n当 一混合物包含多种不同的吸光度的混合物，单一波长无法识别混合物中所有化合物时。n当洗脱溶剂的吸收光谱与所需化合物的吸收光谱重叠时。n当具有相似光谱的化合物使检测器过载，从而难以正确分离化合物时。 CombiFlash系统的波段检测技术显著提升了自动化提纯化合物的能力。以下是几个示例以说明这些技术改进的优势。示例1：(化合物）混合物图1：色谱图展示了使用二醇柱和波段收集技术提纯的叶绿素 (A)、咖口非因和儿茶素 (B) 以及单宁酸 (C)。这些化合物具有不同的光谱，但都能通过波段收集技术被检测到。 示例2：未知光谱图2：使用波段收集技术检测儿茶素 (A) 以及咖口非因 (B) 和其他儿茶素类化合物 (C)。 图3：图2中分离的化合物的紫外吸收图谱。在图2中，大部分儿茶素家族化合物不吸收254nm波长的紫外线，但波段收集技术却能够成功检测并分离该族化合物。这一技术手段在处理自然产物时显得特别有效，因为在进行最终纯化之前，我们通常无法了解目标化合物的吸光度情况。通常完成分子鉴定之前，我们尚未了解某特定分子的吸光度。波段收集技术特别适纯化吸收光谱未知的化合物，因此此技术在处理天然物显得特别有效。溶剂光谱与化合物光谱重叠乙酸乙酯和二氯甲烷是快速色谱中常用的两种溶剂。它们都能吸收250 nm以下的紫外光，这会干扰在此波长范围内同样具有吸收能力的化合物的检测，特别是在使用梯度洗脱时尤为明显。这种不断变化的基线也会妨碍分部收集器准确切割分部的能力。图4：使用二氯甲烷/甲醇梯度，通过波段收集技术纯化葡萄糖五乙酸酯。葡萄糖五乙酸酯在210nm波长的吸光能力较弱，在图谱上其吸收更进一步被二氯甲烷影响，因二氯甲烷也会吸收210波长（参见图4）。当二氯甲烷的浓度降低时，基线会向下漂移。这种漂移通常会干扰传统的分部收集程序，但在波段收集技术面前，这并不是问题。波段收集能够有效地滤除基线漂移，从而为CombiFlash系统中的分部收集器提供一个稳定的基线。样品过载检测器在快速色谱中，样品负载过高导致吸光度饱和检测器是常见情况。若化合物洗脱时间相近，这种饱和现象会使得分部收集器无法准确分离化合物，因为饱和峰会被误认为一个大的单一峰。图5：使用波段收集技术纯化紧密洗脱的饱和峰。 波段收集技术能够测量用户选定光谱范围内的平均吸光度，因得以观测到未饱和的光谱，我们进而得以精准切割分析物的吸收峰。在图5中，通过波段收集技术成功纯化了过载且重叠的儿茶酚和间苯二酚峰。 纯化具有相同特性吸收峰的多种化合物由于波段收集技术的检测范围可以调节， 使用者可以轻松分离出具有特殊吸收波段的那些化合物。这项技术允许仅仅收集我们感兴趣的特定化合物。虽然我们可以选择一个单一波长来完成这项任务，但波段收集技术可以设定一个特定的波长范围，以收集一系列结构相近的化合物。 图6: 单一波长技术可分辨三种吸收254紫外光的化合物。而图7则展示了利用波段收集技术进行选择性纯化的过程，其中化合物1和3在295 nm至325 nm的波长范围内有吸收而化合物2不吸收该波段波长。图6：在254 nm处纯化化合物。图7：运用波段收集，在295至325 nm区间内选择性提纯化合物。三、波段收集技术参数设置建议波段收集技术的参数设置位于CombiFlash系统的方法编辑器界面。启动波段收集功能后，便可配置检测器的各项参数（参见图8）。可配置的参数包括波长范围（用以滤除溶剂或非目标化合物）、峰宽度、斜率以及阈值。当波长范围包含无吸光度的区域虽然会降低波段收集的灵敏度，但依旧能够实现化合物的收集。此外，使用波段收集时，建议同时启用一个可以观测到大多数分析物（包含杂质）吸收光谱的单一检测器。图8：波段收集和单一波长收集的检测参数。四、波段收集技术参数示例案例1：溶剂在侦测波长范围内无吸收若选定波长范围内溶剂无吸收，可将峰宽设为最长八分钟。这一设置同样适用于等度洗脱，因基线稳定，即使溶剂吸光度落在波段收集选定范围内，仍适用此设置。图1展示了按此技术进行纯化的情形。案例2：溶剂在波长范围内有吸收如溶剂在选定检测器范围内吸收（参见图4），则需将波段收集的峰宽设置为单一波长检测器峰宽的两倍。参见图8示例。此参数有助于减少溶剂干扰（参见图9和图10）。图9：使用庚烷：丙酮梯度在280 nm收集儿茶酚和间苯二酚。基线随着丙酮比例的增加而漂移。图10：使用波段收集技术在庚烷：丙酮梯度中收集儿茶酚和间苯二酚。波段收集技术过滤掉了大部分基线漂移。五、结论波段收集技术对于纯化未知吸光度或被溶剂掩盖吸光度的化合物木及具价值。该技术能够有效分离那些吸光度超出检测器承载范围的峰，从而提升了CombiFlash系统的自动化和无人值守操作特性。