双梳光机械光谱（DCOS）助力高灵敏度气体传感
2023-08-26 21:19:19   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

光学腔对于提高分子吸收光谱的灵敏度至关重要，分子吸收光谱在高灵敏度气体传感中有着广泛的应用。然而，高精细度腔的使用会限制操作波长范围，从而阻碍更广泛的应用。

据麦姆斯咨询报道，近日，华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室的科研团队在Nature Communications期刊上发表了以“Dual-comb optomechanical spectroscopy”为主题的论文。Shuo Li和Jin Pan为该论文的共同第一作者，通讯作者为闫明研究员、盛继腾研究员、武海斌教授和曾和平教授。

这项研究展示了将双梳光谱学（DCS）与腔光力学相结合的超灵敏多路复用光谱。在双梳激励下，将多路复用分子吸收光谱下转换为外差超声信号，再转换为机械谐振器的振动。中间膜（MIM）腔光机械系统以高位移灵敏度实时探测机械谐振器的振动。这种双梳光机械光谱（DCOS）凭借其优异的灵敏度以及在光谱带宽、分辨率和采集速度等方面的优势，在气体传感应用领域具有广阔的前景。

图1阐述了DCOS的原理，主要包括两个部分：（1）利用双梳作为激发光产生超声波；（2）基于MIM光机械系统的超声波探测。图2a为该实验设置，包括双梳源和用于超声波探测的MIM系统。

图1 双梳光机械光谱学（DCOS）

图2 实验设置及结果

为了获得光谱信息，研究人员对持续2秒的时域轨迹进行傅里叶变换，该时域轨迹包含40个干涉图，结果如图3所示。

图3 傅里叶变换的DCOS

为了探究DCOS的灵敏度，研究人员在室温和一个大气压（~ 10⁵ Pa）下使用含有1ppm C₂H₂的N₂标准气体混合物。研究人员首先通过比较带有光机械腔与不含光机械腔记录的光声（PA）光谱来证实探测增强效果。在MIM系统的帮助下，该实验获得了约两个数量级的超声探测增强。

图4 超灵敏探测实验结果

综上所述，该研究阐述了DCOS方法，该方法在不使用谐振腔（或等效装置）来增强分子吸收情况下可提供ppb级灵敏度，并且避免了在波长、镜面涂层、物理尺寸等方面的限制。该方法利用光学梳有望实现覆盖全光谱范围的光谱测量（即从紫外波段到太赫兹波段）。而宽响应带宽（−10 dB下340 kHz）是该系统的另一项优势，这有利于实时的多路复用光谱测量。该方法将DCS与腔光力学两种革命性的技术相结合，有望用于光谱测量，并且具有宽光谱、高分辨率、短测量时间以及最重要的超高探测灵敏度等特性。将这些特性集成到光声传感平台上，将为具备选择性和灵敏度的光谱气体传感及其应用（如痕量检测、多气体监测等）带来了新的发展机遇。

这项研究获得了量子科学与技术创新项目（2021ZD0302100）、国家重点研发计划（2022YFA1404202）、国家自然科学基金（12022411、62035005、11925401、12234008、12222404、11974115）、上海市市级科技重大专项（2019SHZDZX01）、上海市基础研究试点项目（TQ20220103、TQ20220104）、重庆市自然科学基金项目（CSTB2022NSCQ-JQX0016）和中央高校基本科研业务费专项资金的资助和支持。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-40771-3

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