基于双光梳光热光谱的激光光谱气体传感研究取得新进展

       香港中文大学和长春光学精密机械与物理研究所的联合团队创造性地提出一种双光梳光热光谱方法 (DC-PTS) ，首次实现了基于光频梳的气体分子光热光谱测量。传统的光疏光谱技术需要复杂的光谱仪或高带宽光电探测器来解析梳状频谱线，而且需要相当长的激光与气体相互作用路径来提高检测灵敏度，从而严重限制了其在实验室之外的实际应用。而 DC-PTS 方法使得同时具备宽光谱、高分辨率、极低耗气量和高灵敏度成为可能。

       该技术将双光梳光谱（一种可用于气体传感的宽带光谱测量方法）与光热光谱（一种通常使用单波长泵浦激光器完成的气体传感方法）相结合。通过两者相结合，研究人员实现了气体传感的高分辨、超灵敏、宽波段探测。

双光梳光热光谱方法概念图

       DC-PTS 不是直接测量光频梳，而是使用光学干涉仪灵敏地检测梳状吸收感应的光热波。 全光纤Fabry–Pérot干涉仪由一根7cm的反谐振空芯光纤构成，可将将光和气体限制在内径仅为几十微米的空心光纤中，从而更好地实现光和气体的相互作用。

       该传感方法基于研究人员的发现的在频域内，双光梳光源的每一对梳齿的外差拍频可对气体分子吸收实现特定频率的强度调制。由于强度调制引起的光热效应会周期性调制介质折射率，当两个光脉冲同时通过气体介质传输时，介质折射率携有一系列的调制频率，且该调制频率很容易被干涉仪检测到。因此可以采用光学干涉测量折射率调制并进行傅里叶变换，即可得到对应宽波段内的光谱信息。

       研究人员采用电光调制器产生的双光梳泵浦激光来实现光热折射率调制，同时使用法布里-珀罗干涉仪进行检测。双光梳光源在反谐振空芯光纤中通过外差拍频对气体介质实现调制。

       实验过程中，研究人员对0.17μL采样体积的乙炔气体实现了ppm级的探测灵敏度和超过1THz谱宽的光热光谱测量。其中，泵浦光源的平均光功率仅为 15 mW，反谐振空芯光纤长度为 7 cm。研究人员证明，该光梳可同时以上百个不同频率对气体折射率进行调制。

       他们表示，双光梳泵浦源的乙炔的光热光谱可以通过干涉仪产生的干涉图的傅里叶变换在短至 10 ms 的测量时间内获得。

       作为具有高灵敏度、高分辨率、快速响应和宽光谱检测能力的紧凑型多功能气体传感器，DC-PTS 可用于包括能源检测、大气监测、海洋科学在内的许多工业领域。尽管研究人员展示了用于电光梳的 DC-PTS，但他们相信该技术也可用于由微谐振器、量子级联激光器和带间级联激光器产生的中红外光梳，在气体吸收和尺寸集成方面颇具前景。

       该研究发表在 Nature Communications (www.doi.org/10.1038/s41467-022-29865-6)。