超灵敏、宽调谐NICE-OHMS光谱技术研究

As the most sensitive detection technology of gaseous molecules, Noise immune cavity enhanced optical heterodyne molecular spectroscopy (NICE-OHMS) has a very broad prospect in the fields of fundamental researches and real applications. Its detection sensitivity is mainly determined by the finesse of external Fabry-Perot cavity and frequency locking performance of the laser to the cavity mode. Therefore the use of a laser source with a narrower linewidth to the cavity mode can not only obtain a high sensitivity but greatly simplify the technical complexity. In 2015, a combined application of the fiber laser with its linewidth of 10 kHz and the cavity with its finesse of 50000 won the best detection sensitivity of 4×10-13 cm-1 Hz-1∕2 in the world. However its frequency tuning range is smaller than 3 GHz, which can only measure the Doppler broadened absorption spectroscopy with a sub-Torr gas sample. The low-pressure measurement mode not only reduces the detection sensitivity of gas concentration, also limits the direct measurement of atmospheric samples. Based on these, the ultra-sensitive and widely tunable NICE-OHMS spectrum of gas sample, with the pressure of hundreds of Torr, especially atmospheric pressure, is measured by use of a cavity with the finesse of more than 100000 and a new-type semiconductor laser with a frequency tuning range of up to 50GHz and a linewidth of 30Hz. Finally the system is used to detect the trace C2H2 in the ppb level from the exhaust gases of a smoker.

NICE-OHMS作为世界上最灵敏的气态分子检测技术在前沿基础研究及应用领域具有非常广阔的前景。其探测灵敏度主要由外部FP腔的精细度及激光到腔模频率锁定性能等所决定，因此采用比腔模线宽更窄的激光在获得高灵敏度的同时还可大大简化技术的复杂性。2015年，10kHz线宽的光纤激光结合精细度为50000的FP腔获得了4×10-13cm-1Hz-1/2的世界最高探测灵敏度，然而该类光源的频率调谐范围小于3GHz，只能应用于多普勒展宽机制下（亚乇样品气）的光谱检测，这种低压测量模式不仅降低了对气态分子浓度的检测灵敏度，还限制了其对大气压样品的直接测量。基于此，本项目拟采用频率调谐范围50GHz，线宽小于30Hz的新型半导体激光源并结合精细度大于100000的FP腔开展百乇气压尤其是大气压样品的超高灵敏、宽调谐NICE-OHMS光谱直接检测，最后基于该系统对抽烟者呼出的ppb量级C2H2进行实时监测。

从威胁人类安全生存的大气污染问题到提升人类生活水平的现代工、农业的发展、再到先进制造行业如半导体、芯片的规模生产，最后到青藏高原科考、深海和极地探测、大型风洞以及基础科学研究等领域，痕量气体（~ppm 量级）尤其是超痕量气体（≦ppb 量级）的检测扮演着关键的角色，极大地影响着上述领域的快速发展。基于激光吸收光谱（LAS）的痕量气体检测技术相比于传统技术具有灵敏度高、成分选择性好、非入侵、可实时在线、全量程检测等优点，是解决上述领域需求的首选。该类技术是通过测量气体对激光功率的吸收量来确定其浓度的，基于LAS技术的最小可探测相对光功率变化量从10-3可达到10-13，这样一个大的测量范围可以满足不同领域对气体检测的需求。噪声免疫腔增强光外差分子光谱（NICE-OHMS）由于其结合了腔增强和频率调制两项高灵敏光谱技术从而成为世界上灵敏度最高的光谱技术。为了促进该技术在超痕量气体检测领域的应用，需要拓宽光谱扫描的范围，实现近大气压下的气样测量。为此本项目提出如下研究内容：①、频率反馈控制伺服带宽的拓展；②、获得宽波长调谐范围下NICE-OHMS光谱信号；③、探测灵敏度的进一步提高；④、抽烟者呼出C2H2气体浓度的检测。经过四年项目的执行，我们圆满完成了项目既定的研究任务，在如下四个方面取得了显著的研究亮点：①、基于单边带相位调制器（f-SSM）发展了即插即用式全光纤NICE-OHMS技术，不仅能对近大气压下福吉特展宽信号，同时可对亚多普勒展宽信号进行测量，不依赖与激光源本身的调谐特性，拓展了NICE-OHMS技术的应用范围，成为光学频率锁定大气激光雷达的备选技术之一；②、将差分探测、平衡探测和FP腔位置调制等技术应用到NICE-OHMS，将系统的噪声降低到了1.4倍的散粒噪声极限，探测灵敏度在200s积分时间下达到了2.2e-14cm-1，对抽烟者呼出C2H2的探测灵敏度达到130ppt；③、光机电集成了国际上首套NICE-OHMS气体测量仪，探测灵敏度达到6.97e-10cm-1；④、研制成功了CRDS气体分析仪，对CO2探测灵敏度达到了760ppq。最终取得成果：①、发表文章16篇，其中SCI收录文章14篇，其中二区文章9篇；②、申报发明专利6项；③、毕业博士研究生2名、硕士研究生2名，直博硕士研究生2名，在读硕士研究生7名。