2023-08-30 23:26:36 來源 : MEMS
光學腔對于提高分子吸收光譜的靈敏度至關重要，分子吸收光譜在高靈敏度氣體傳感中有著廣泛的應用。然而，高精細度腔的使用會限制操作波長范圍，從而阻礙更廣泛的應用。
據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，華東師范大學精密光譜科學與技術國家重點實驗室的科研團隊在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（DCS）與腔光力學相結合的超靈敏多路復用光譜。在雙梳激勵下，將多路復用分子吸收光譜下轉換為外差超聲信號，再轉換為機械諧振器的振動。中間膜（MIM）腔光機械系統(tǒng)以高位移靈敏度實時探測機械諧振器的振動。這種雙梳光機械光譜（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，在氣體傳感應用領域具有廣闊的前景。
(資料圖片)
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)光產生超聲波；（2）基于MIM光機械系統(tǒng)的超聲波探測。圖2a為該實驗設置，包括雙梳源和用于超聲波探測的MIM系統(tǒng)。
圖1 雙梳光機械光譜學（DCOS）
圖2 實驗設置及結果
為了獲得光譜信息，研究人員對持續(xù)2秒的時域軌跡進行傅里葉變換，該時域軌跡包含40個干涉圖，結果如圖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標準氣體混合物。研究人員首先通過比較帶有光機械腔與不含光機械腔記錄的光聲（PA）光譜來證實探測增強效果。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。
圖4 超靈敏探測實驗結果
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用光譜測量。該方法將DCS與腔光力學兩種革命性的技術相結合，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用（如痕量檢測、多氣體監(jiān)測等）帶來了新的發(fā)展機遇。
審核編輯：彭菁
