Nat. Commun. | 雙光梳光熱光譜：氣體傳感新原理

撰稿 | 張輝（中科院長春光機所）

注：本文由課題組（論文作者）投稿

激光光譜氣體傳感技術在氣候變暖、火星探測、海洋勘探、生物醫療等諸多領域具有舉足輕重的地位，全球環境、生態以及能源問題的不斷惡化，對光學氣體傳感的多物質、甚至未知成分的分析能力提出了更高要求。然而，由于缺少理想的相干光源，難以在寬光譜波段范圍內快速準確地獲取精細光譜信息。

光學頻率梳（Optical Frequency Comb， OFC）提供了一把測量頻率和時間的標尺，從根本上解決了光頻計量問題，極大促進了前沿基礎物理研究領域的發展。OFC 在頻域上表現為一系列相等頻率間隔的梳狀頻譜線，與氣體分子作用后進行頻域解析，在獲得寬光譜覆蓋范圍的同時亦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手段。然而，這種技術往往依賴于高帶寬光電探測器和復雜光譜解析技術，而且需要相當長的激光與氣體相互作用路徑來提高檢測靈敏度，嚴重限制了光頻梳光譜在氣體傳感領域的廣泛應用。

雙光梳光熱光譜

為了突破該技術瓶頸，來自中國科學院長春光學精密機械與物理研究所的 王強研究員團隊和香港中文大學的 任偉教授團隊創造性地提出了 雙光梳光熱光譜方法（ DC-PTS），首次實現了基于光頻梳的氣體分子光熱光譜測量。

研究成果以  Dual-comb Photothermal Spectroscopy 為題發表在國際權威期刊  Nature Communications。其中，中科院長光所的王強研究員與香港中文大學的王震博士為該論文的共同第一作者，香港理工大學靳偉教授團隊和暨南大學汪瀅瑩教授團隊提供了關鍵的反諧振空芯光纖器件。

圖1：雙光梳光熱光譜方法概念圖

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間內等時長移動，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現特定頻率的強度調制。由于強度調制引起的光熱效應會周期性調制介質折射率，因此當雙光梳通過氣體介質并被吸收時，介質折射率攜有一系列的調制頻率。采用光學干涉測量折射率調制并進行傅里葉變換，即可得到對應的寬波段范圍內的光譜信息。

圖2：乙炔氣體寬波段雙光梳光熱光譜

在原理驗證實驗中，研究人員采用電光調制器產生了具有天然內稟互相干的雙光梳泵浦激光，用一根 7 cm 的反諧振空芯光纖構建了全光纖 Fabry–Pérot 干涉儀，僅用 mW 量級的激光便可實現 kW·cm?⊃2; 量級的泵浦光強。在空芯光纖 28 μm 的空間尺度內，該光梳可同時以上百個不同頻率對氣體折射率進行調制，對 0.17 μL 采樣體積的氣體實現了 ppm 級的探測靈敏度和超過 1 THz 譜寬的光熱光譜測量（如圖2所示）。

研究人員所提出的雙光梳光熱光譜方法不僅具備單波長激光光譜測量的高選擇性和快速響應特點，同時光頻梳和光熱光譜技術的融合使得同時具備寬光譜、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、呼氣診斷等不同領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。

前景展望

隨著光學微腔、量子級聯激光器等先進光梳光源和中紅外空芯光纖技術的迅速發展，雙光梳光熱光譜方法有望進一步拓展到氣體分子的中紅外指紋光譜帶，同時結合光學腔增強、高性能相位解析技術，可以實現更強的氣體分子探測能力和更小的集成尺寸，為基于激光光譜的前沿科學探索和工程應用研究提供前所未有的可能性。

文章信息

Wang, Q., Wang, Z., Zhang, H. et al. Dual-comb photothermal spectroscopy. Nat Commun 13, 2181 (2022). 

https://doi.org/10.1038/s41467-022-29865-6

該研究得到了國家自然科學基金委項目（62005267、51776179）等的支持。