上海光機所在新型雙光梳溫室氣體高精度檢測技術(shù)方面取得重要突破

2025-10-22 08:34:08來源：中國科學院上海光學精密機械研究所閱讀量：1225 評論

　　近期，中國科學院上海光學精密機械研究所陳衛(wèi)標研究員和周佳琦研究員團隊，在雙光梳氣體光譜檢測技術(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對氣候變化研究至關(guān)重要?；诼窂讲罘治展庾V檢測的激光雷達，上海光機所已經(jīng)實現(xiàn)對單一溫室氣體的高精度星載遙感探測，但受到傳統(tǒng)雙波長激光器的帶寬限制，無法實現(xiàn)多組分氣體的同步探測。

　　雙光梳光譜氣體測量技術(shù)是解決多組分氣體分子高精度同步測量的前沿探測技術(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。該技術(shù)實用的核心挑戰(zhàn)在于提升雙光學頻率梳之間高度穩(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)用性差等問題，難以在實際外場環(huán)境條件得到應(yīng)用。

　　針對該瓶頸問題，研究團隊創(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)通過對單頻激光同時施加兩路拉曼增益調(diào)制，將原本互不相干的自由運轉(zhuǎn)雙光梳轉(zhuǎn)換為高功率、高互相干性的拉曼雙光梳，其實驗裝置如圖1所示。分別測量了拉曼增益調(diào)制前后雙光梳的干涉信號，結(jié)果表明該方法顯著提升了雙梳之間的互相干性，并實現(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，相干時間延長至數(shù)十秒以上。研究團隊將該雙光梳系統(tǒng)成功應(yīng)用于二氧化碳和甲烷氣體的吸收光譜測量，實現(xiàn)了高精度的氣體探測(圖3)，驗證了該技術(shù)在光譜傳感方面的實際應(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：可實現(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，且無需依賴電學反饋鎖定或算法校正。該方案為雙光梳光譜技術(shù)從實驗室走向?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)工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、上海市自然科學基金等項目的支持。

圖1：基于拉曼增益調(diào)制的雙光梳系統(tǒng)實驗裝置

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

圖3：實現(xiàn)了二氧化碳與甲烷氣體的高精度吸收探測

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