在光譜學(xué)的發(fā)展歷程中，科學(xué)家始終追求更高的分辨率、更快的測量速度和更寬的光譜覆蓋范圍。近年來，雙光梳光譜（Dual-Comb Spectroscopy,DCS）技術(shù)的興起，為這一目標(biāo)帶來了突破性進(jìn)展。它融合了激光頻率梳的高精度與傅里葉變換光譜的高效性，被譽為“光譜測量領(lǐng)域的GPS”，正在化學(xué)分析、大氣遙感、生物醫(yī)學(xué)診斷和基礎(chǔ)物理研究等多個前沿領(lǐng)域掀起一場光學(xué)革命。
雙光梳光譜的核心基于兩束重復(fù)頻率略有差異的飛秒激光頻率梳。每束光梳由一系列等間距、相位相干的窄線寬激光頻率組成，形如“梳齒”。當(dāng)這兩束光梳同時通過待測樣品并發(fā)生干涉時，高頻光信號被“下變頻”為射頻范圍內(nèi)的拍頻信號——這一過程稱為“多外差檢測”。通過高速光電探測器采集該信號，并進(jìn)行傅里葉變換，即可在毫秒級時間內(nèi)重建出樣品的高分辨率吸收或色散光譜。 相較于傳統(tǒng)光譜技術(shù)，雙光梳光譜具有三大顯著優(yōu)勢。其一，超高分辨率與精度：得益于頻率梳的絕對頻率標(biāo)定能力，其光譜分辨率可達(dá)MHz量級，遠(yuǎn)超常規(guī)光譜儀；其二，超快測量速度：無需機械掃描，單次測量可在微秒至毫秒內(nèi)完成，適用于動態(tài)過程監(jiān)測，如燃燒反應(yīng)、氣體擴散或呼氣分析；其三，寬光譜覆蓋與高靈敏度：結(jié)合中紅外或太赫茲波段的光梳，可探測分子“指紋區(qū)”的強吸收特征，實現(xiàn)ppb（十億分之一）級痕量氣體檢測。
在實際應(yīng)用中，雙光梳光譜已展現(xiàn)出巨大潛力。在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，它能同時識別大氣中的CO?、CH?、N?O等多種溫室氣體，并精確反演其濃度與同位素比值；在工業(yè)過程控制中，可用于實時監(jiān)控化工反應(yīng)器內(nèi)組分變化；在生物醫(yī)學(xué)方面，研究人員利用其對呼出氣體中的丙酮、一氧化氮等生物標(biāo)志物進(jìn)行無創(chuàng)檢測，輔助糖尿病或哮喘診斷。此外，在基礎(chǔ)科學(xué)中，雙光梳還被用于檢驗量子電動力學(xué)、測量基本物理常數(shù)等高精度實驗。
盡管前景廣闊，雙光梳系統(tǒng)仍面臨挑戰(zhàn)。早期裝置依賴復(fù)雜的鎖模激光器和主動穩(wěn)頻系統(tǒng)，體積龐大、成本高昂。但近年來，隨著芯片級光頻梳、電光調(diào)制光梳及光纖集成技術(shù)的發(fā)展，小型化、低成本的雙光梳設(shè)備正逐步走向?qū)嵱没?023年，已有研究團隊開發(fā)出手掌大小的中紅外雙光梳模塊，預(yù)示著該技術(shù)將從實驗室走向現(xiàn)場部署。
雙光梳光譜不僅是一項測量工具的革新，更代表了“時間—頻率—光譜”多維信息融合的新范式。它以光的速度捕捉分子的“聲音”，以梳齒的精度解讀自然的語言。
