本文簡單介紹了光頻梳的概念以及該領域的一項最新研究進展——腔增強光聲雙光梳光譜。

研究背景

近二十年來，光學頻率梳（光頻梳）光譜已經發展成為精密光譜和計量學、光譜激光雷達、環境監測以及高光譜全息成像等眾多領域的強大工具。得益于一系列等間隔、高相干的頻率譜線，光頻梳可以提供極高分辨率的分子寬光譜信息，為高精密光譜測量開啟了新的大門。

雙光梳光譜采用兩個具有微小重復頻率差的光頻梳光源進行異步光學取樣，通過多外差干涉反演目標分子的光譜信息，展現出高分辨率、寬帶覆蓋和快速測量等優點。國際上，以美國國家標準與技術研究院（NIST）和德國馬克斯·普朗克量子光學研究所（MPQ）為代表的研究機構在該領域做出了許多開創性研究。然而，傳統雙光梳光譜從激光穿過待測樣品的透射光中提取光譜信息，存在嚴重的光學背景干擾，而有限的氣體吸收長度也限制了探測靈敏度。這種直接光梳探測手段往往依賴于高帶寬的光電探測器、高速數據采集卡等硬件設備，以及復雜的光譜解析技術，嚴重限制了雙光梳光譜的廣泛應用。

創新研究

近日，有研究人員提出并驗證了腔增強光聲雙光梳光譜（Cavity-enhanced photoacoustic dual-comb spectroscopy）的概念，如圖1所示。采用光學腔增強方法突破光頻梳的梳齒能量瓶頸，實現近1000 倍的光功率增強；設計了獨特的竹笛式寬帶聲學腔，實現超過5 kHz的聲學放大，相比于傳統光聲探測的石英音叉器件，響應帶寬提高三個量級。基于該方法，實驗測量了乙炔、氨氣和一氧化碳三種氣體在整個C波段的光譜信息，展示了ppb量級的探測靈敏度。

圖1 腔增強光聲雙光梳光譜概念圖

研究人員采用電光調制雙光梳光源，借助雙光梳每一對梳齒的外差拍頻，對氣體分子激光吸收實現特定頻率的強度調制；產生不同頻率的聲波信號，通過傅里葉變換反演獲得分子光譜信息。由于光聲效應與光梳功率成正比，通過激光鎖頻技術成功將兩組光梳同時耦合進光學腔（精細度>4000），使得每個光腔縱模對應一對光學梳齒（圖2插圖），實現雙光梳光功率的顯著放大。為了保證光學腔的長期穩定性，選擇乙炔分子在1531 nm處的分子吸收線為光學頻率基準，實現光學腔和分子吸收線的鎖定（圖2）。

圖2 實驗裝置示意圖

寬帶聲學腔是實現光聲雙光梳光譜的核心元件，也是該領域的一個瓶頸問題。受中國傳統樂器竹笛的啟發，研究人員優化了傳統聲學共鳴管的聲學邊界設計，并增加了聲波信號探測點，使得疊加輸出的聲波信號具有寬帶和平坦的頻率響應特性，滿足光聲雙光梳探測的需求（圖3）。最終，腔增強的每對光學梳齒與氣體分子作用后，同時激發出超過200個不同頻率的聲波，并且等間隔地分布在聲學腔的3-dB帶寬放大范圍內。

圖3 寬帶聲學共鳴管結構和頻率響應特性

基于該新型雙光梳光譜系統，研究人員實驗測量了乙炔（10 ppm）、氨氣（50 ppm）和一氧化碳（1%）等氣體超過5 THz（40 nm）的光譜信息，與HITRAN標準光譜數據庫高度一致（圖4）。以乙炔為例評估其探測靈敏度，該系統的最低探測下限為0.6 ppb，對應噪聲等效吸收系數達到7×10-10 cm-1。因此，實驗結果證明腔增強光聲雙光梳光譜技術兼具寬波段和超高靈敏的探測能力，為高精密光頻梳光譜的廣泛應用提供了重要技術支撐。

圖4 乙炔（10 ppm）、氨氣（50 ppm）和一氧化碳（1%）光譜測量結果

前景展望

腔增強光聲雙光梳光譜在當前光頻梳光譜領域展現了領先的探測性能，可以實現寬波段范圍內更靈敏的快速光譜分析，其無背景的光聲探測方式有助于應對極端復雜的測量環境。結合光聲多物理場耦合設計、MEMS技術和集成光學，基于該光譜方法的系統性能和環境適應性將不斷提高。隨著中紅外光梳光源的發展，腔增強光聲雙光梳光譜有望進一步拓展到中紅外指紋光譜區，實現無與倫比的靈敏度和更豐富的分子探測能力，為基于激光光譜技術的前沿科學探索和面向國家重大需求的大型工程應用提供可行性方案。






審核編輯：劉清