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编者按
痕量气体检测一直是大气污染、工业过程控制、现代农业以及深海高原科考等领域的研究热点，而灵敏度是应用中的一项关键指标。为了提升气体检测灵敏度，腔增强吸收光谱技术被提出并应用于痕量气体检测。
近期，《光学精密工程》期刊刊出的封面文章“近红外光学反馈线性腔增强吸收光谱技术”，提出了一种基于双镜法布里-玻罗腔的光学反馈腔增强吸收光谱技术，通过对反馈给半导体激光的腔内共振光场相位精确控制，有效压窄激光线宽，提高透射腔模幅度的稳定性，实现了痕量甲烷气体的高灵敏检测。
《光学精密工程》期刊编辑曹金特别邀请该文的通讯作者山西大学马维光教授，对其进行采访。让我们一起走进马维光教授课题组，了解封面文章背后的故事。
论文信息
许非, 周晓彬, 刘政波, 等. 近红外光学反馈线性腔增强吸收光谱技术[J]. 光学精密工程, 2021, 29(5):933-939. DOI：10.37188/OPE.2020.0657
论文网址
#10.37188/OPE.2020.0657
期刊封面 | 《光学精密工程》2021年第29卷第5期
访 谈
曹金（编辑）：2021年您研究团队发表在《光学精密工程》的工作中提出了一种基于线性腔的光学反馈腔增强吸收光谱技术，请简要地介绍一下本文的研究背景？
马维光（通讯作者）：近30年来，激光吸收光谱（LAS）技术以其高选择性、高灵敏度、实时检测等优点，成为新一代痕量气体检测的替代技术。
该类检测技术是通过测量气体对光功率的吸收量来确定其浓度的，探测微小光功率变化量的能力越强，浓度检测灵敏度也就越高。
截止目前，基于LAS技术的最小可探测相对光功率变化量（△I/I）可从10-3到10-13，主要有可调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS）技术（10-3~10-6），以及多种腔增强吸收光谱（CEAS）技术，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。
当激光耦合进入由高反镜组成的光学谐振腔，激光会在腔镜之间多次往返，且腔镜反射率越高，往返次数越多，从而有效增长了光与腔内气体的相互作用长度，提升了气体的检测灵敏度。
对于谐振腔的常规应用是通过测量透射腔模幅度来获取吸收光谱信号。然而在超灵敏气体检测中，采用的半导体激光器线宽相较于腔模宽度高约3个数量级以上，使得透射腔模幅度比较低且非常不稳定，难以实现吸收光谱的高灵敏度测量。
然而，将谐振腔共振光场直接反馈给半导体激光可以实现输出线宽的压窄，可提高透射腔模的时域宽度、幅度及其稳定性，于是发展出了光学反馈腔增强吸收光谱（OF-CEAS）技术。
曹金（编辑）：线性腔和V型腔的区别和优势有哪些？基于线性法布里-玻罗腔的光学反馈腔增强吸收光谱技术与传统的腔增强吸收光谱技术之间的差异和优势？
马维光（通讯作者）：传统的OF-CEAS大都使用V型腔结构，可在空间上将腔前镜透射的腔内谐振场与腔前镜的直接反射非谐振场分离开来，以避免谐振场与非谐振场之间的反馈竞争。然而经过本课题组前期的理论分析发现，两类光场到达半导体激光的相位相差π，当达到最佳的反馈相位时，非谐振场不会对光学反馈过程造成影响，因此本文直接采用了线性法布里-玻罗（FP）腔作为样品吸收池。
两者相比，V型腔：①多一个腔镜，会引入更大的损耗，在相同腔镜反射率下，精细度相比于FP腔更低；②更易受振动的影响，稳定性差；③腔内体积较大，很难对微量样品进行检测。
CEAS技术主要包括：频率锁定CEAS技术、离轴积分腔输出光谱（OA-ICOS）技术、噪声免疫腔增强光外差分子光谱（NICE-OHMS）技术、腔衰荡光谱（CRDS）技术以及OF-CEAS技术。
频率锁定CEAS是通过电子伺服系统将激光频率锁定到FP腔的腔模后，扫描FP腔的腔长来实现吸收光谱的连续测量，相比于OF-CEAS，虽然灵敏度相差不大，但系统稳定性差，实现难度大；
OA-ICOS通过激光的离轴入射，在两个腔镜上形成圆环状光斑，收集透射腔镜后的光场来实现吸收光谱的测量，该技术虽然可以结合波长调制光谱等技术，获得较好的探测灵敏度，但是受限于腔透射的微弱光功率，使其应用难度较大；
NICE-OHMS是目前探测灵敏度最高的吸收光谱技术，它结合了频率锁定CEAS和频率调制光谱两项技术，不仅增加了激光与气体的相互作用路径，同时也降低了探测过程的噪声，但是该技术结构及其复杂，国际上也只有少数课题组能够实现；
CRDS是当激光耦合进入FP腔后瞬间关断激光，探测腔透射光场的衰荡过程来确定腔内吸收损耗的大小，该技术结构简单、不受输入光强噪声的影响，是目前市场上较为成熟的超灵敏痕量气体检测技术之一，然而腔的透射场也较弱，需要高增益、快速响应的光电探测器来进行光谱测量；
OF-CEAS可以显著提高激光到腔的耦合效率，结合CRDS技术进一步抑制入射光强噪声的影响，获得一个更优的探测灵敏度。
曹金（编辑）：本文主要应用该技术来检测甲烷气体，目前国家比较重视大气污染的检测和治理，是否可以用来监测其他污染气体，探测灵敏度可否进一步提高，通过什么方式提高？
马维光（通讯作者）：本文将甲烷作为样品气主要原因为：①甲烷为常规危险及温室气体；②在高原科考或深海探测中，通过对甲烷的高灵敏测量可以了解地质及海洋中的甲烷成因。
通过采用近红外或中红外不同波长的半导体激光源，可以实现包括SO2、SO3、NO、NO2、H2S、NH3、CO、CO2等气体的测量。
本技术的探测灵敏度主要受限于腔镜的反射率和光强噪声的影响，因此选择高反射率的腔镜以及结合CRDS技术可以实现灵敏度的进一步提高。
曹金（编辑）：请您介绍一下研究团队在激光光谱技术方面开展的代表性工作和重要成果。
马维光（通讯作者）：山西大学超灵敏激光吸收光谱技术与应用课题组在国家自然科学基金委、国家留学基金委等项目的资助下开展了超灵敏腔增强痕量气体检测技术研究。
近年来，通过与瑞典于默奥大学Ove Axner教授课题组合作，基于回音壁模式的窄线宽半导体激光源将多普勒展宽机制下的NICE-OHMS探测灵敏度提高到了6.6×10-14 cm-1；
基于光纤激光源结合FP腔吸收池反射光的同步解调，实现了4.6×10-14 cm-1的探测灵敏度；
基于平衡探测技术首次实现了NICE-OHMS技术近散粒噪声极限的光谱测量；
基于单边带相位调制取代了窄线宽激光器的波长调谐和反馈控制，实现了NICE-OHMS信号的直接测量以及激光波长到吸收线中心的锁定，可为大气激光雷达提供频率稳定的激光源；
通过与美国国家标准与技术研究院（NIST） T. 研究员课题组的合作发展了超灵敏中红外腔增强光谱技术，国际上首次直接探测到N2O分子振转能级的双光子跃迁，实现了双光子腔衰荡光谱技术，该技术有可能超越传统的单光子光谱技术，获得更低的气体探测灵敏度；
基于光学反馈实现量子级联激光器到高精细度光学腔的锁定，发展了超窄线宽中红外激光源，压窄后的线宽达到Hz量级。
课题组简介
马维光，山西大学激光光谱研究所教授，博士生导师，《光学精密工程》青年编委，全国激光光谱技术学术论坛秘书长，山西大学光学工程学科负责人，光电工程系主任，瑞典于默奥大学博士后，长期从事超灵敏激光光谱技术，痕量气体检测技术、激光技术等的理论和实验研究。主持国家自然科学基金4项，军工863项目1项，其他省部级基金近10项，合作发表SCI高水平论文近百篇，获批国家发明专利10余项，其中2项完成转让。
赵刚，山西大学激光光谱研究所讲师，硕士生导师。2016年至2017年，获国家留学基金委资助，作为联合培养博士赴瑞典于默奥大学进行访问学习。2018年至2020年，赴美国国家标准与技术研究院（NIST）进行博士后学习，师从 T. 和Adam J. 。长期从事超灵敏激光光谱技术和痕量气体检测技术，主要研究方向包括腔增强光谱技术、中红外光谱技术、NICE-OHMS技术、精密光谱测量、光梳光谱技术、双光梳光谱技术等。目前，已发表期刊论文30余篇，主持国家青年基金一项。
马维光团队成员合影
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