Photoacoustics | 光学频率梳与音叉增强光声光谱的非线性融合

撰稿人 | 万卓仁

论文题目 | Dual-comb quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy

作者 | Xinyi Ren（任心仪）, Ming Yan（闫明）, Zhaoyang Wen（温兆阳）, Hui Ma（马慧）, Ran Li（李冉）, Kun Huang（黄坤）, Heping Zeng（曾和平）

完成单位 | 华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室，华东师范大学重庆研究院，济南量子技术研究院

 

1.研究背景

光梳光谱技术（Frequency Comb Spectroscopy）利用光学频率梳（光梳）在频率域等间隔梳齿状分布特性对分子吸收峰进行离散的频谱标识，进而实现宽带分子指纹光谱的高分辨测量。光梳光谱，特别是双光梳光谱技术（Dual-comb spectroscopy），无需色散元件或移动的干涉臂，在谱宽、测量时间、光谱分辨率等方面极大地推进了分子光谱测量技术的发展，为分子物理、分析化学、红外遥感、大气环境监测等基础学科与光谱应用领域提供了高效的测量工具。然而，基于宽带光梳的光谱测量技术却面临着灵敏度低的困境，限制了其在痕量分析、呼吸气体诊断等重要领域的应用。

2.导读

光声光谱技术是实现痕量气体分析的重要解决方案之一，具有灵敏度高、成本低、系统简单等优点。然而此类技术主要采用的是波长或频率可调谐的连续激光源，即一次仅对一个波长或频率成分进行测量，存在检测波长单一、光谱调谐范围窄等问题，限制了其在多种类气体检测、分子谱线分析等方面的应用。近期，华东师范大学曾和平教授与闫明研究员团队提出一种基于音叉共振增强的双光梳光声光谱技术，兼具了光梳光谱技术高分辨、多波长测量的特点与音叉增强光声光谱技术高灵敏度的优势，为高精度痕量气体分析提供了新的途径。相关成果以“Dual-comb quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy”为题在Photoacoustics期刊上发表。该论文第一作者为任心仪，通讯作者为闫明、曾和平。

3.创新研究

3.1 基于音叉增强的双光梳光声光谱方法

音叉增强的双光梳光声光谱方法原理如图1所示。两束梳齿间距略有差别的光梳（双光梳）共同激发待测气体分子。成对的梳齿被分子吸收后，产生不同频率的声波，该频率却决于每对梳齿之间的频率差（即梳齿的拍频），如图1(a)所示。声波的强度取决于吸收峰的强度。如图1(b)所示，当声波频率落在音叉响应频带内时，这些信号将与音叉发生共振，并被增强，最后转换为电信号，经电学放大后，被数采卡记录，如图1(c)所示。数采卡记录了时域上的双光梳光声信号，其表现为多个波动信号的叠加，即干涉条纹，见图2(a)。通过傅里叶变换可以在频率域解析这些信号，见图2(b)。这些声波的频率对应着分子吸收峰的光学频率，其强度则对应着吸收峰的强度。图2(b)展示了离散分布的光梳梳齿。它们可以用于频率轴的标定，其整体轮廓则可用于还原分子吸收线型。

图1 音叉增强的双光梳光声光谱方法: (a)双光梳激发声波; (b)音叉接收声波信号; (c)实验装置简图

图源：Photoacoustics (2022) https://doi.org/10.1016/j.pacs.2022.100403 (Fig.1)

 

图2 实验结果: (a)双光梳干涉信号; (b)傅里叶变换后的双光梳光声谱

   图源：Photoacoustics (2022) https://doi.org/10.1016/j.pacs.2022.100403 (Fig.2)

 

3.2 高灵敏度与多波长同时测量方式的结合

图3(a)展示了系统对乙炔气体ν₁+ν₃范频带谱线P(17)的测量结果。通过双光梳激发方式，可以实现对分布在195.22-195.28 THz内60个频谱成分的同时测量，测量分辨率为1 GHz。测量结果与HITRAN数据库的模拟结果一致。如图3(b)所示，通过对不同气体浓度进行测量，系统的灵敏度极限可达到8.3ppb，归一化噪声等效吸收系数（NNEA）达0.7×10^-9 cm^-1·W·Hz^-1/2。该灵敏度（即8.3ppb）与常规的单波长音叉增强光声光谱结果相近，较双光梳光声光谱技术首次报道的结果（10 ppm）提升了近3个量级。

此外，相较于光电探测方式，基于光声效应的光谱探测不受制于光源波段，因此能够有效缓解常规的光梳光谱技术在中远红外波段的探测难题。图4(a)的装置中，近红光梳通过周期极化非线性晶体中的差频过程，被转换成中红外光梳，并实现了中红外波段（3.3mm）的双光梳光声光谱测量。该波段对应了分子能级的基频跃迁，分子通常具有更大的吸收截面，因此系统在较低的激发光功率条件下，便可实现灵敏气体检测，其灵敏度为0.5ppm，NNEA为0.26×10^-9 cm^-1·W·Hz^-1/2。

 

图3 气体光谱的测量结果: (a)归一化的双光梳光声光谱; (b)光声光谱信号与乙炔气体浓度的关系曲线

图源：Photoacoustics (2022) https://doi.org/10.1016/j.pacs.2022.100403 (Fig.3）

 

图4 中红外双光梳光声光谱: (a)实验装置图; (b)中红外双光梳光谱信号与乙炔气体浓度的关系曲线。插图为5ppm浓度下的光谱结果。

图源：Photoacoustics (2022) https://doi.org/10.1016/j.pacs.2022.100403 (Fig.4）

 

3.3 非线性饱和吸收双光梳光声光谱

气体分子谱线复杂繁多，特别是在碰撞加宽与多普勒谱线加宽等效应作用下，常常出现交错重叠、难以分辨的现象，限制了常规气体检测技术的特异性。针对这一问题，图5展示了一种基于音叉的非线性双光梳光声光谱测量方案。如图5(a)所示，方案通过三束光梳光场对分子振动能级跃迁的操控，可以在分子振动引发的声波信号中实现非线性光谱“烧孔”效应，进而克服均匀加宽效应对谱线测量分辨率与精度的限制。方案同时结合声学微腔及音叉共振效应提高探测灵敏度，见图5(b)。该方案可以有效抑制多普勒谱线展宽效应，实现对分子均匀加宽线型（如碰撞加宽）的一次性、快速且高分辨测量。验证实验的结果如图6所示。实验实现了对乙炔分子的高分辨测量，分辨率为10 MHz，谱线线宽测量值仅45.8MHz，较多普勒极限分辨率（470MHz）提升了近1个量级。该工作为气体传感及痕量分析提供了一种超高分辨率光谱检测方法。

 

图5 饱和吸收双光梳光声光谱: (a)原理图; (b)频率域上的双光梳光声信号。

图源：Photoacoustics (2022) https://doi.org/10.1016/j.pacs.2022.100403 (Fig.5)

 

图6 消多普勒的双光梳光声光谱测量结果

图源：Photoacoustics (2022) https://doi.org/10.1016/j.pacs.2022.100403 (Fig.6)

 

4.应用与展望

团队提出了一种基于音叉共振增强的双光梳光声光谱测量技术，有效提高了常规光梳光谱技术的检测灵敏度，同时改善了光声光谱技术的光谱分辨与多波长同时测量能力。实验上对乙炔气体分子的范频与基频吸收峰进行了测量，获得了8.3ppb的检测灵敏度，并且结合非线性饱和吸收效应实现了消多普勒的高分辨光声光谱测量。该技术其兼具了高光谱分辨率、多频谱成分同时测量，及高灵敏度的优势，为痕量气体分析、环境检测等应用提供了新的思路。

5.主要作者

 

任心仪，论文第一作者，华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室博士后，目前从事光频梳与光梳光谱技术研究。

 

 

闫明，论文通讯作者，华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室研究员，博士生导师。长期从事高分辨分子指纹光谱与红外光频梳光源研究，以第一/通讯作者共发表论文30余篇，申请/授权国家发明专利27项，其中国际发明专利5项。

 

 

曾和平，论文通讯作者，华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室教授，博士生导师，国家杰青。研究方向包括超快光子学、光学频率梳和单光子光学。在Phys. Rev. Lett., Science Advance, Nature Communications, Laser Photonics Rev.等期刊发表了论文300余篇，申请/授权国家发明专利130余项。

 

本文出处

发表于：Photoacoustics期刊

X. Ren, M. Yan, Z. Wen, H. Ma, R. Li, K. Huang, H. Zeng, “Dual-comb quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy,” Photoacoustics 28, 100403 (2022).

论文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2213597922000684

文献检索：
https://doi.org/10.1016/j.pacs.2022.100403