教育高质量发展看山西：山西大学激光光谱研究所在双光梳光声光谱的共振探测研究中取得重要进展
近日，山西大学激光光谱研究所贾锁堂教授、董磊教授、武红鹏教授研究组在Light: Science & Applications期刊（影响因子19.4）发表题为Quartz-enhanced multiheterodyne resonant photoacoustic spectroscopy的研究论文，山西大学王嘉鹏博士生和武红鹏教授为共同第一作者，董磊教授为通信作者，山西大学的贾锁堂教授和意大利巴里理工大学的Angelo Sampaolo、Pietro Patimisco、Vincenzo Spagnolo共同参与指导了该项研究。
双光梳光谱技术自2002年Schiller首次提出概念，到2004年Keilman首次验证其有效性后，便成为激光光谱学领域备受瞩目的新兴技术。该技术同时具备传统宽带光源和激光光源的优势，且拥有宽光谱、高分辨和测量速度快等特点。具体来说，该技术利用两个高度相干光学频率梳输出的相干脉冲序列之间的异步光采样，将光频信息下转换到了射频频段，然后通过高速光电探测器对透射光进行收集，进而反演出吸收信息。
2020年，美国国家标准与技术研究院的Jacob T. Friedlein和瑞士电子与微技术中心的Thibault Wildi分别提出了双光梳光声光谱的概念，并使用麦克风和声电换能器完成了验证性实验。双光梳光声光谱技术因其具有配置简单、对光学吸收长度和光波长的独立性、无背景噪声干扰，以及相较于传统探测器更高的饱和功率等优点，在高灵敏、宽带光谱检测方面展现出巨大潜力。现行的双光梳光声光谱检测系统通常使用宽带设备如麦克风来探测由双光梳产生的多外差声波，这带来了采集带宽和采集速度上的优势。然而，此探测方式也有局限性。声波的共振增强在光声光谱中至关重要，可以显著提高灵敏度（最高可以提高100倍），但该技术无法实现对声波的共振增强。另一方面，宽带测量引入的宽带背景噪声可能会限制灵敏度的进一步提升，同时带来探测动态范围的减小。
研究团队利用小体积、低成本的石英音叉（QTF）来完成对双光梳诱导产生的多外差声波的共振式探测，如上图所示。与传统的双光梳光谱方法不同，石英增强多外差共振光声光谱（QEMR-PAS）技术通过对多外差声波中心频率的动态扫描，依次提取与QTF共振的频率成分，降低了对两个光学频率梳互相干时间的需求。同时，该技术通过QTF进行声学滤波（几个Hz），之后使用相敏检测器进行电学滤波（<1 Hz），提高信号幅值的同时完成了低噪声的光-声-电能量转换过程，进一步提升了系统探测灵敏度。另一方面，QTF的超窄带宽同样也带来了动态范围和分辨率上的优势。
该工作得到了国家自然科学基金、山西省杰出青年科学基金等项目的资助以及THORLABS GmbH在PolySenSe联合研究实验室中提供的资助。
上游新闻 李东臻 通讯员 武恩泽