上海光机所在新型双光梳温室气体高精度检测技术方面取得重要突破

　　近期，中国科学院上海光学精密机械研究所陈卫标研究员和周佳琦研究员团队，在双光梳气体光谱检测技术领域取得重要突破。相关研究成果以“Mutual Coherence Enhanced Dual-Comb Spectroscopy By Raman Gain Modulation”为题，发表于Laser & Photonics Reviews。
 

　　大气中温室气体高精度遥感探测对气候变化研究至关重要。基于路径差分吸收光谱检测的激光雷达，上海光机所已经实现对单一温室气体的高精度星载遥感探测，但受到传统双波长激光器的带宽限制，无法实现多组分气体的同步探测。
 

　　双光梳光谱气体测量技术是解决多组分气体分子高精度同步测量的前沿探测技术，具有宽光谱覆盖、高光谱分辨率、高灵敏度、快速采集等优势。该技术实用的核心挑战在于提升双光学频率梳之间高度稳定的互相干性。常用双梳互相干性恢复方法，如全锁定双光梳、后处理算法校正、单腔双光梳等，普遍存在系统成本高、结构复杂、鲁棒性不足以及复用性差等问题，难以在实际外场环境条件得到应用。
 

　　针对该瓶颈问题，研究团队创新提出了一种基于拉曼增益调制的双光梳光谱技术。该技术通过对单频激光同时施加两路拉曼增益调制，将原本互不相干的自由运转双光梳转换为高功率、高互相干性的拉曼双光梳，其实验装置如图1所示。分别测量了拉曼增益调制前后双光梳的干涉信号，结果表明该方法显著提升了双梳之间的互相干性，并实现了射频梳齿的高精度分辨(图2)。射频梳齿线宽可压缩至约mHz量级，相干时间延长至数十秒以上。研究团队将该双光梳系统成功应用于二氧化碳和甲烷气体的吸收光谱测量，实现了高精度的气体探测(图3)，验证了该技术在光谱传感方面的实际应用潜力。
 

　　与传统方法相比，本技术方案具有以下突出优势：可实现全保偏光纤结构，具备低成本、低复杂度、结构紧凑及良好的环境稳定性，且无需依赖电学反馈锁定或算法校正。该方案为双光梳光谱技术从实验室走向实际应用环境奠定重要基础，并有望广泛应用于大范围双光梳光谱遥感、星间双光梳光谱掩星遥感等领域。
 

　　相关工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市自然科学基金等项目的支持。
 

图1：基于拉曼增益调制的双光梳系统实验装置
 

图2：拉曼增益调制前后双梳的互相干性对比，a-b: 调制后的拉曼双梳；c-d: 调制前的自由运转双梳
 

图3：实现了二氧化碳与甲烷气体的高精度吸收探测