光學(xué)腔對于提高分子吸收光譜的靈敏度至關(guān)重要，分子吸收光譜在高靈敏度氣體傳感中有著廣泛的應(yīng)用。然而，高精細(xì)度腔的使用會限制操作波長范圍，從而阻礙更廣泛的應(yīng)用。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，華東師范大學(xué)精密光譜科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室的科研團(tuán)隊在Nature Communications期刊上發(fā)表了以“Dual-comb optomechanical spectroscopy”為主題的論文。Shuo Li和Jin Pan為該論文的共同第一作者，通訊作者為閆明研究員、盛繼騰研究員、武海斌教授和曾和平教授。

這項研究展示了將雙梳光譜學(xué)（DCS）與腔光力學(xué)相結(jié)合的超靈敏多路復(fù)用光譜。在雙梳激勵下，將多路復(fù)用分子吸收光譜下轉(zhuǎn)換為外差超聲信號，再轉(zhuǎn)換為機(jī)械諧振器的振動。中間膜（MIM）腔光機(jī)械系統(tǒng)以高位移靈敏度實時探測機(jī)械諧振器的振動。這種雙梳光機(jī)械光譜（DCOS）憑借其優(yōu)異的靈敏度以及在光譜帶寬、分辨率和采集速度等方面的優(yōu)勢，在氣體傳感應(yīng)用領(lǐng)域具有廣闊的前景。

圖1闡述了DCOS的原理，主要包括兩個部分：（1）利用雙梳作為激發(fā)光產(chǎn)生超聲波；（2）基于MIM光機(jī)械系統(tǒng)的超聲波探測。圖2a為該實驗設(shè)置，包括雙梳源和用于超聲波探測的MIM系統(tǒng)。

圖1 雙梳光機(jī)械光譜學(xué)（DCOS）

圖2 實驗設(shè)置及結(jié)果

為了獲得光譜信息，研究人員對持續(xù)2秒的時域軌跡進(jìn)行傅里葉變換，該時域軌跡包含40個干涉圖，結(jié)果如圖3所示。

圖3 傅里葉變換的DCOS

為了探究DCOS的靈敏度，研究人員在室溫和一個大氣壓（~ 10? Pa）下使用含有1ppm C2H2的N2標(biāo)準(zhǔn)氣體混合物。研究人員首先通過比較帶有光機(jī)械腔與不含光機(jī)械腔記錄的光聲（PA）光譜來證實探測增強(qiáng)效果。在MIM系統(tǒng)的幫助下，該實驗獲得了約兩個數(shù)量級的超聲探測增強(qiáng)。

圖4 超靈敏探測實驗結(jié)果

綜上所述，該研究闡述了DCOS方法，該方法在不使用諧振腔（或等效裝置）來增強(qiáng)分子吸收情況下可提供ppb級靈敏度，并且避免了在波長、鏡面涂層、物理尺寸等方面的限制。該方法利用光學(xué)梳有望實現(xiàn)覆蓋全光譜范圍的光譜測量（即從紫外波段到太赫茲波段）。而寬響應(yīng)帶寬（?10 dB下340 kHz）是該系統(tǒng)的另一項優(yōu)勢，這有利于實時的多路復(fù)用光譜測量。該方法將DCS與腔光力學(xué)兩種革命性的技術(shù)相結(jié)合，有望用于光譜測量，并且具有寬光譜、高分辨率、短測量時間以及最重要的超高探測靈敏度等特性。將這些特性集成到光聲傳感平臺上，將為具備選擇性和靈敏度的光譜氣體傳感及其應(yīng)用（如痕量檢測、多氣體監(jiān)測等）帶來了新的發(fā)展機(jī)遇。

審核編輯：彭菁