我國學者在雙光梳光聲光譜的共振探測研究中取得進展

4月12日，記者從山西大學獲悉，該校賈鎖堂教授團隊在雙光梳光聲光譜的共振探測研究中取得進展。相關成果發表于《光：科學與應用》期刊。

自2002年首次提出概念，雙光梳光譜技術在2004年驗證有效性后，便成為激光光譜學領域備受矚目的新興技術。該技術同時具備傳統寬帶光源和激光光源的優勢，且擁有寬光譜、高分辨和測量速度快等特點。具體來說，該技術利用兩個高度相干光學頻率梳輸出的相干脈沖序列之間的異步光采樣，將光頻信息下轉換到了射頻頻段，然后通過高速光電探測器對透射光進行收集，進而反演出吸收信息。

2020年，國際上有學者提出了雙光梳光聲光譜的概念，并使用麥克風和聲電換能器完成了驗證性實驗。雙光梳光聲光譜技術因其具有配置簡單、對光學吸收長度和光波長的獨立性、無背景噪聲干擾，以及相較于傳統探測器更高的飽和功率等優點，在高靈敏、寬帶光譜檢測方面展現出巨大潛力。

研究人員介紹，現行的雙光梳光聲光譜檢測系統，通常使用寬帶設備如麥克風來探測由雙光梳產生的多外差聲波，這帶來了采集帶寬和采集速度上的優勢。然而，此探測方式也有局限性。聲波的共振增強在光聲光譜中至關重要，可以顯著提高靈敏度（最高可以提高100倍），但該技術無法實現對聲波的共振增強。另一方面，寬帶測量引入的寬帶背景噪聲可能會限制靈敏度的進一步提升，同時帶來探測動態范圍的減小。

研究團隊實驗原理圖（受訪者供圖）

研究團隊利用小體積、低成本的石英音叉來完成對雙光梳誘導產生的多外差聲波的共振式探測。與傳統的雙光梳光譜方法不同，石英增強多外差共振光聲光譜技術通過對多外差聲波中心頻率的動態掃描，依次提取與石英音叉共振的頻率成分，降低了對兩個光學頻率梳互相干時間的需求。同時，該技術通過石英音叉進行聲學濾波，之后使用相敏檢測器進行電學濾波（<1 Hz），提高信號幅值的同時完成了低噪聲的光-聲-電能量轉換過程，進一步提升了系統探測靈敏度。另一方面，石英音叉的超窄帶寬同樣也帶來了動態范圍和分辨率上的優勢。