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一次谐波锁频的快速光腔衰荡光谱检测技术

2022-3-18 13:55| 发布者：Davis| 查看：876| 评论：0|原作者: 中国光学

摘要：本文介绍了一种将激光频率锁定至分子超精细跃迁线并实现Hz级光谱响应的光腔衰荡光谱技术，并探讨了其在环境监测、特别是温室气体浓度测量中的应用前景。同时，文章也比较了该技术与PDH锁频技术的优劣，并阐述了该技术可以与哪些其他技术结合应用。

编者按

近十几年，光腔衰荡光谱技术作为新一代高灵敏光谱技术，已在分子光谱研究和大气痕量气体监测等领域得到了广泛应用；现今在“双碳”背景下又被认为是开展温室气体时空分布测量的主要技术手段之一，其在环境监测领域的应用前景引起了热议。目前该技术结合 PDH 锁频技术、光反馈技术已在高灵敏、快速测量方面取得了重大突破，但由于 PDH 锁频需要将激光频率锁定至超稳定腔上，光反馈需要将反馈光相位进行稳定可靠的实时调制，所以光腔衰荡光谱技术结合上述方法实现高灵敏、快速测量的系统存在着鲁棒性差、结构复杂的缺点，难以满足工程应用要求。

为解决上述问题，中国科学院安徽光学精密机械研究所光谱应用技术研究室激光吸收光谱团队，提出了一种将激光频率锁定至分子超精细跃迁线并实现 Hz 级光谱响应的光腔衰荡光谱技术。

该成果作为封面文章发表在《光学精密工程》（EI、Scopus收录，中文核心期刊，2021中国国际影响力优秀学术期刊）2022 年第 4 期上。

论文信息

胡迈,陈祥,张辉等.一次谐波锁频的快速光腔衰荡光谱检测[J].光学精密工程,2022,30(04):363-371.

https://ope.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/OPE.20223004.0363

《光学精密工程》 2022 年第 30 卷第 4 期期刊封面图

问与答（Q&A）

采访人：臧春秀（《光学精密工程》科学编辑）

受访对象：阚瑞峰、胡迈（中国科学院安徽光学精密机械研究所光谱应用技术研究室）

Q：本文提出了一种一次谐波锁频的快速光腔衰荡光谱检测技术，请介绍一下该技术的特点？

A：一次谐波锁频的快速光腔衰荡光谱检测技术主要有两个特点，一个是激光频率被锁至了分子超精细跃迁线中心频率点，减小了频率误差对光腔衰荡光谱测量的影响；另一个是响应速度快，常见的光腔衰荡光谱系统采用扫描分子吸收线后拟合的方式来进行浓度反演，所以系统响应很难做到 Hz 量级，但在一次谐波锁频的快速光腔衰荡光谱系统中激光频率被精确锁定至了绝对频率已知的点上，在该点吸收系数已知的情况下即可实现气体浓度计算，因此响应速度可做到 1 Hz 以上。

Q：一次谐波锁定激光频率相比其他锁频技术有何优势？

A：利用电光相位调制器（EOM）对光进行相位调制产生载波与边带，让载波与边带透过气体吸收池后产生与分子吸收线型导数相关的信号作为 PID 控制模块的输入信号，从而实现激光频率的精确锁定是一次谐波锁频的基本原理。

相比传统的 3f 锁频技术，主要有两大优点：（1）产生误差信号的电激励并未直接加载在激光器驱动上，所以频率被锁定在了分子超精细跃迁线中心点，而 3f 锁定时激光频率仍在一定范围变化；（2）PID 闭环控制响应可达 MHz 以上，能有效抑制激光器驱动噪声，从而提高激光频率稳定性。

相比 PDH 锁定技术，主要有三大优点：（1）结构简单，鲁棒性强，更适合开展工程化应用；（2）对光源线宽要求不高；（3）PDH 方法锁定激光频率至超稳定腔纵模上，其绝对频率是未知的，但一次谐波锁定频率点的绝对频率可根据吸收谱线中心位置精确获得。

图 1 一次谐波锁定激光频率原理图

Q：文中提及的一次谐波锁定激光频率的方法有诸多优点，除与光腔衰荡光谱技术相结合外，还可以与哪些技术结合应用？

A：一次谐波锁定激光频率的方法并非只能与光腔衰荡光谱技术相结合，该方法与 PDH 锁频技术一样，可作为稳频（或减小频率误差）的工具与不同的红外吸收光谱相结合，例如可调谐半导体激光吸收光谱技术（TDLAS）、光声光谱技术（PAS）等。

Q：该技术在“双碳”领域应用的前景如何，具有哪些优势？

A：“双碳”主要测量的气体种类为二氧化碳（CO₂）和甲烷（CH₄），但两种气体在大气中的年均增长量约为 1.2 ppm 和 14 ppb，因此获取两种气体的变化趋势需要高精度测量技术。目前离轴积分腔输出光谱技术（ICOS）和光腔衰荡光谱技术（CRDS）已被认定为开展以上两种气体时空分布测量的主要技术，所以都具有广阔的应用前景；本文提出的 Hz 级光谱响应的光腔衰荡光谱技术具有更快的时间响应，能为分析气体浓度高时间变化特点提供更多细节。

Q：目前该技术是否已在环境大气检测中得到了应用？

A：对于光腔衰荡光谱技术工程化应用，我们已经得到了国家重点研发计划、第二次青藏高原综合科学考察研究等项目的资助，在国内率先开展了此方向的研究工作并取得一定进展，集成的多套样机在青藏高原、深海等特殊环境进行了应用。从前期外场应用的效果来看，仪器单次测量需要近 100 s，时间分辨率较低，这也是本文发展快速光腔衰荡光谱技术的直接原因。