中红外波段腔增强光频梳光谱学及其在痕量 H2O2 检测中的应用

我们首次演示了中红外波段的腔增强光频梳光谱学，并报告了在大量水存在下对过氧化氢进行灵敏的实时痕量检测。实验装置基于由高功率 Yb:光纤激光器同步泵浦的中红外光学参量振荡器、一个高精细度宽带腔以及具有自平衡探测功能的快速扫描傅里叶变换光谱仪。中心波长为 3.75 {\mu}m、带宽为 200 nm 的频梳光谱被同时耦合进腔内，且频梳的两个自由度（即重复频率和载波包络偏移频率）均被锁定至腔体以确保稳定的传输。自平衡探测方案将强度噪声降低了 300 倍，实现了 5.4 {\times} 10^-9 cm^-1 Hz^-1/2 的灵敏度（分辨率 800 MHz），对应于 6000 个分辨光谱元下每个光谱元 6.9 {\times} 10^-11 cm^-1 Hz^-1/2。这使得过氧化氢的噪声等效检测限达到 8 ppb；在存在 2.8% 水的情况下，检测限为 130 ppb。文中还展示了大气压下乙炔、甲烷和一氧化二氮的光谱，并开发了一种线型模型来模拟实验数据。