中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
光學(xué)頻率梳（Optical Frequency Comb，OFC）提供了測量頻率和時(shí)間的標尺，從根本上解決了光頻計量問(wèn)題，促進(jìn)了前沿基礎物理研究領(lǐng)域的發(fā)展。OFC在頻域上表現為一系列相等頻率間隔的梳狀頻譜線(xiàn)，與氣體分子作用后進(jìn)行頻域解析，在獲得寬光譜覆蓋范圍的同時(shí)可獲得極高的光譜分辨率，為高精度光譜測量提供了新的技術(shù)手段。然而，這種技術(shù)往往依賴(lài)于高帶寬光電探測器和復雜光譜解析技術(shù)，且需要相當長(cháng)的激光與氣體相互作用路徑來(lái)提高檢測靈敏度，限制了光頻梳光譜在氣體傳感領(lǐng)域的應用。因此，如何通過(guò)原理上的突破，在緊湊結構下實(shí)現氣體傳感的寬波段、高分辨、高靈敏探測變得尤為重要。
近日，中國科學(xué)院長(cháng)春光學(xué)精密機械與物理研究所應用光學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室研究員王強團隊和香港中文大學(xué)教授任偉團隊，創(chuàng )造性地提出了雙光梳光熱光譜方法（DC-PTS），首次實(shí)現了基于光頻梳的氣體分子光熱光譜測量。DC-PTS的原理如圖1所示，采用雙光梳光源作為泵浦光源，用其中一列光脈沖在另一列光脈沖的持續時(shí)間內等時(shí)長(cháng)移動(dòng)，周期性調制光脈沖。在頻域內，雙光梳光源的每一對梳齒的外差拍頻可對氣體分子吸收實(shí)現特定頻率的強度調制。強度調制引起的光熱效應會(huì )周期性調制介質(zhì)折射率，因此當雙光梳通過(guò)氣體介質(zhì)并被吸收時(shí)，介質(zhì)折射率攜有一系列的調制頻率。采用光學(xué)干涉測量折射率調制并進(jìn)行傅里葉變換，即可得到對應的寬波段范圍內的光譜信息。
圖1 雙光梳光熱光譜方法概念圖
原理驗證實(shí)驗中，研究采用電光調制器產(chǎn)生了具有天然內稟互相干的雙光梳泵浦激光，用一根7cm的反諧振空芯光纖構建了全光纖Fabry–Pérot干涉儀，僅用mW量級的激光器便可實(shí)現kW·cm?2量級的泵浦光強。在空芯光纖28μm的空間尺度內，該光梳可同時(shí)以上百個(gè)不同頻率對氣體折射率進(jìn)行調制，對0.17μL采樣體積的氣體實(shí)現了ppm級的探測靈敏度和超過(guò)1THz譜寬的光熱光譜測量（圖2）。
圖2 乙炔氣體寬波段雙光梳光熱光譜
研究提出的雙光梳光熱光譜方法具備單波長(cháng)激光光譜測量的高選擇性和快速響應特點(diǎn)。光頻梳和光熱光譜技術(shù)的融合使同時(shí)具備寬光譜、高分辨率、極低耗氣量和高靈敏度成為可能，為分子探測提供豐富的光譜信息，針對大氣監測、深空探測、海洋科學(xué)、呼氣診斷等不同領(lǐng)域對精密氣體探測的需求提供多功能的光譜氣體傳感技術(shù)。
相關(guān)研究成果以Dual-comb Photothermal Spectroscopy為題，發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金等的支持。香港理工大學(xué)教授靳偉團隊和暨南大學(xué)教授汪瀅瑩團隊提供關(guān)鍵的反諧振空芯光纖器件。
