调制衰荡梳干涉测量技术用于下一代高复杂度痕量气体传感

与健康和环境相关的气体样本通常包含大量分子种类，其浓度动态范围巨大。高浓度分子会产生强烈的吸收背景，阻碍了对低浓度物种的可靠识别。虽然中红外高精细度腔增强频率梳光谱技术已实现了迄今为止最灵敏的多物种痕量气体检测，但其稳健性能要求气体样本仅包含弱吸收特征，以避免腔共振从梳线频率中分散。本文介绍了一种不受此限制的新技术，从而能够开发下一代多物种痕量气体传感，广泛适用于复杂和动态的分子组成。调制衰荡梳干涉测量法的原理是解析通过长度调制腔的巨量并行梳线所携带的衰荡动力学。该方法同时利用了场动力学的周期性和迈克尔逊干涉仪引入的多普勒频移。通过色散免疫和高效率的数据收集，实现了光谱覆盖范围和腔精细度的可扩展增强。基于此平台，我们在中红外实现了精细度与光谱覆盖范围的乘积，比所有先前的实验高出数个数量级。我们通过测量高度色散的人体呼出气样本，在1,010 cm⁻¹的极大扩展光谱覆盖范围和23,000的腔精细度下，展示了该技术的强大能力。这首次实现了对20种不同分子物种的同时定量，灵敏度高于1 ppt，其浓度变化达7个数量级。