上海光機(jī)所在新型雙光梳溫室氣體高精度檢測(cè)技術(shù)方面取得重要突破

2025-10-23 11:35:00中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所閱讀量：915      我要評(píng)論

　　近期，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所陳衛(wèi)標(biāo)研究員和周佳琦研究員團(tuán)隊(duì)，在雙光梳氣體光譜檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域取得重要突破。相關(guān)研究成果以“Mutual Coherence Enhanced Dual-Comb Spectroscopy By Raman Gain Modulation”為題，發(fā)表于Laser & Photonics Reviews。

　　大氣中溫室氣體高精度遙感探測(cè)對(duì)氣候變化研究至關(guān)重要?；诼窂讲罘治展庾V檢測(cè)的激光雷達(dá)，上海光機(jī)所已經(jīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)單一溫室氣體的高精度星載遙感探測(cè)，但受到傳統(tǒng)雙波長(zhǎng)激光器的帶寬限制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)多組分氣體的同步探測(cè)。

　　雙光梳光譜氣體測(cè)量技術(shù)是解決多組分氣體分子高精度同步測(cè)量的前沿探測(cè)技術(shù)，具有寬光譜覆蓋、高光譜分辨率、高靈敏度、快速采集等優(yōu)勢(shì)。該技術(shù)實(shí)用的核心挑戰(zhàn)在于提升雙光學(xué)頻率梳之間高度穩(wěn)定的互相干性。常用雙梳互相干性恢復(fù)方法，如全鎖定雙光梳、后處理算法校正、單腔雙光梳等，普遍存在系統(tǒng)成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、魯棒性不足以及復(fù)用性差等問(wèn)題，難以在實(shí)際外場(chǎng)環(huán)境條件得到應(yīng)用。

　　針對(duì)該瓶頸問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新提出了一種基于拉曼增益調(diào)制的雙光梳光譜技術(shù)。該技術(shù)通過(guò)對(duì)單頻激光同時(shí)施加兩路拉曼增益調(diào)制，將原本互不相干的自由運(yùn)轉(zhuǎn)雙光梳轉(zhuǎn)換為高功率、高互相干性的拉曼雙光梳，其實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。分別測(cè)量了拉曼增益調(diào)制前后雙光梳的干涉信號(hào)，結(jié)果表明該方法顯著提升了雙梳之間的互相干性，并實(shí)現(xiàn)了射頻梳齒的高精度分辨(圖2)。射頻梳齒線寬可壓縮至約mHz量級(jí)，相干時(shí)間延長(zhǎng)至數(shù)十秒以上。研究團(tuán)隊(duì)將該雙光梳系統(tǒng)成功應(yīng)用于二氧化碳和甲烷氣體的吸收光譜測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了高精度的氣體探測(cè)(圖3)，驗(yàn)證了該技術(shù)在光譜傳感方面的實(shí)際應(yīng)用潛力。

　　與傳統(tǒng)方法相比，本技術(shù)方案具有以下突出優(yōu)勢(shì)：可實(shí)現(xiàn)全保偏光纖結(jié)構(gòu)，具備低成本、低復(fù)雜度、結(jié)構(gòu)緊湊及良好的環(huán)境穩(wěn)定性，且無(wú)需依賴電學(xué)反饋鎖定或算法校正。該方案為雙光梳光譜技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H應(yīng)用環(huán)境奠定重要基礎(chǔ)，并有望廣泛應(yīng)用于大范圍雙光梳光譜遙感、星間雙光梳光譜掩星遙感等領(lǐng)域。

　　相關(guān)工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。

圖1：基于拉曼增益調(diào)制的雙光梳系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置

圖2：拉曼增益調(diào)制前后雙梳的互相干性對(duì)比，a-b: 調(diào)制后的拉曼雙梳；c-d: 調(diào)制前的自由運(yùn)轉(zhuǎn)雙梳

圖3：實(shí)現(xiàn)了二氧化碳與甲烷氣體的高精度吸收探測(cè)

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