3分钟了解超灵敏激光光谱技术--NICE-OHMS

激光吸收光谱(LAS)技术由于其具有高灵敏、高分辨、高选择、快速响应及非入侵测量等优点被广泛地应用到环境检测、工业过程控制、国防安全、病理诊断等领域，同时也应用到光谱参数测量和频率标准等基础科学研究领域。为了满足准确监控超精细工业过程、加强国防安全、提升病理诊断准确性等的领域需求及提升基础研究的水平，需要发展基于LAS的超灵敏气态物质检测技术及装置。

超灵敏激光光谱技术--NICE-OHMS

20世纪90年代，美国实验天体物理联合研究所(JILA)的叶军教授，诺贝尔奖获得者J. L. Hall 教授以及华东师范大学马龙生教授共同发明了世界上超灵敏的光谱技术--噪声免疫腔增强光外差分子光谱(NICE-OHMS)技术。其通过激光载频到腔模以及调制频率到法布里玻罗(FP)腔吸收池FSR的两个频率锁定过程，完美地实现了频率调制光谱和频率锁定腔增强吸收光谱两种高灵敏光谱技术的结合。不仅可实现长路劲吸收，还具有低的探测噪声，其技术基本原理如图1所示。通过调制频率到FSR的频率锁定，使得激光载频和边带受FP腔频率幅度噪声影响相同，拍频后获得的NICE-OHMS信号在空腔条件下将不受该噪声影响，因此称其具有“噪声免疫”特性。

图1 NICE-OHMS基本原理图

[W. Ma, et.al Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer, Vol.168, 217-244 (2016)]

腔增强吸收光谱技术的有效吸收路径为腔长的2F/p倍(F为FP腔吸收池的精细度)，腔的精细度越高，探测灵敏度也就越高。激光到腔模频率锁定的性能直接影响NICE-OHMS信号的信噪比，因此高灵敏特性需要宽带宽、高低频增益的频率锁定伺服设计。然而宽带宽和低频高增益的设计存在一定的矛盾，当宽带宽反馈控制实现了宽线宽激光到高精细度FP腔腔模的频率锁定，就很难保证在低频尤其是扫描频率处具有足够高的增益，致使激光和腔模的同步宽范围波长扫描很难实现。现有的NICE-OHMS装置大多采用比FP腔腔模更窄的激光源进行实验研究。因此激光源的调谐能力和线宽成了限制NICE-OHMS光谱检测灵敏度的主要因素。

1996年后，日本、新西兰、美国、荷兰、意大利、英国、瑞典、中国的多个研究组分别将外腔二极管激光源(ECDL)、量子级联激光源(QCL)、光学参量振荡器(OPO)、光纤激光器(EDFL)、回音壁模式半导体激光器(WGM)和分布反馈半导体(DFB)激光器等应用到了不同精细度的FP腔吸收池进行NICE-OHMS光谱检测，从事痕量气体、激子、有机分子等的超灵敏检测，各个研究的课题组及其使用的具体参数如表1所示。

表1 NICE-OHMS发明各个研究组采用的基本参数比较(*为洛伦兹线宽)

可以看出一般情况下:

①FP腔吸收池精细度越高，获得的探测灵敏度越高，所需的激光线宽越窄;

②激光到腔模频率锁定的带宽由激光线宽决定，性能的好坏直接决定了其探测灵敏度。

目前最高的探测灵敏度仍然是叶军教授发明NICE-OHMS时获得的5e-13，但测量的是亚多普勒分子饱和光谱，且系统较为复杂。2007年瑞典的Ove Axner教授课题组首次基于1.5 μm窄线宽光纤激光器有效地降低了激光到腔模频率锁定的带宽，大大简化了NICE-OHMS的实验装置，为该技术进入实用走出了关键一步。2018年初，山西大学与瑞典Umeå大学合作基于平衡探测技术将多普勒展宽的NICE-OHMS光谱探测灵敏度提高到了8.8e-13，达到了理论散粒噪声的1.4倍。国内从事NICE-OHMS技术研究的课题组除了山西大学外，华东师范大学马龙生教授课题组、中国科技大学胡水明教授课题组也在开展痕量气体检测及分子光谱等领域的研究工作。

NICE-OHMS技术在痕量气态物质检测领域的发展方向

针对NICE-OHMS技术在痕量气态物质检测中的应用，正在发展的方向有两个:一是提升光谱测量的范围，实现大气压样品的直接测量;二是更进一步提升检测灵敏度，解决基础研究和领域应用的需求。

长期以来NICE-OHMS技术只能测量低气压下样品。2017年，Curtis等人虽然实现了大气压样品的测量，但探测灵敏度远远差于低压下的探测灵敏度。发展大气压样品直接测量的NICE-OHMS技术，可有效避免由于压强降低所导致的灵敏度降低，且能实现生物活体排出气的实时在线测量。其技术的关键是选择宽调谐窄线宽激光源以及提升PDH频率锁定的性能。

为了更进一步提升NICE-OHMS技术的探测灵敏度，首要是发展波长可调谐的超窄线宽激光源。为了获得Hz量级线宽的激光输出，可以采用激光到高精细度超稳腔的频率锁定，然而此类光源的波长调谐能力较差，这就需要发展外部频率扫描技术。另一个因素是超高精细度FP腔吸收池的搭建，其关键通过选择最佳的阻抗匹配来提升激光到腔的耦合效率。