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基于MIM光机械系统的超声波探测

MEMS 来源:MEMS 2023-08-29 09:12 次阅读

光学腔对于提高分子吸收光谱的灵敏度至关重要,分子吸收光谱在高灵敏度气体传感中有着广泛的应用。然而,高精细度腔的使用会限制操作波长范围,从而阻碍更广泛的应用。

据麦姆斯咨询报道,近日,华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室的科研团队在Nature Communications期刊上发表了以“Dual-comb optomechanical spectroscopy”为主题的论文。Shuo Li和Jin Pan为该论文的共同第一作者,通讯作者为闫明研究员、盛继腾研究员、武海斌教授和曾和平教授。

这项研究展示了将双梳光谱学(DCS)与腔光力学相结合的超灵敏多路复用光谱。在双梳激励下,将多路复用分子吸收光谱下转换为外差超声信号,再转换为机械谐振器的振动。中间膜(MIM)腔光机械系统以高位移灵敏度实时探测机械谐振器的振动。这种双梳光机械光谱(DCOS)凭借其优异的灵敏度以及在光谱带宽、分辨率和采集速度等方面的优势,在气体传感应用领域具有广阔的前景。

图1阐述了DCOS的原理,主要包括两个部分:(1)利用双梳作为激发光产生超声波;(2)基于MIM光机械系统的超声波探测。图2a为该实验设置,包括双梳源和用于超声波探测的MIM系统。

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图1 双梳光机械光谱学(DCOS)

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图2 实验设置及结果

为了获得光谱信息,研究人员对持续2秒的时域轨迹进行傅里叶变换,该时域轨迹包含40个干涉图,结果如图3所示。

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图3 傅里叶变换的DCOS

为了探究DCOS的灵敏度,研究人员在室温和一个大气压(~ 10⁵ Pa)下使用含有1ppm C2H2的N2标准气体混合物。研究人员首先通过比较带有光机械腔与不含光机械腔记录的光声(PA)光谱来证实探测增强效果。在MIM系统的帮助下,该实验获得了约两个数量级的超声探测增强。

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图4 超灵敏探测实验结果

综上所述,该研究阐述了DCOS方法,该方法在不使用谐振腔(或等效装置)来增强分子吸收情况下可提供ppb级灵敏度,并且避免了在波长、镜面涂层、物理尺寸等方面的限制。该方法利用光学梳有望实现覆盖全光谱范围的光谱测量(即从紫外波段到太赫兹波段)。而宽响应带宽(−10 dB下340 kHz)是该系统的另一项优势,这有利于实时的多路复用光谱测量。该方法将DCS与腔光力学两种革命性的技术相结合,有望用于光谱测量,并且具有宽光谱、高分辨率、短测量时间以及最重要的超高探测灵敏度等特性。将这些特性集成到光声传感平台上,将为具备选择性和灵敏度的光谱气体传感及其应用(如痕量检测、多气体监测等)带来了新的发展机遇。

审核编辑:彭菁

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原文标题:双梳光机械光谱(DCOS)助力高灵敏度气体传感

文章出处:【微信号:MEMSensor,微信公众号:MEMS】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

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