光学反馈腔增强吸收光谱首次在2.8 μm波长处检测到羟自由基

       近日，基于光反馈-腔增强吸收光谱（以下简称OF-CEAS），中国科学院合肥物质科学研究院（HFIPS）Weijun Zhang教授团队利用分布式反馈激光二极管（DFB-LD）在2.8 μm波长处检测到羟自由基（OH，一种重要的活性氧，可以看作羟基OH-1失去了一个电子的中和形式），研究成果已发表在期刊《Optics Express》上。

图1 光学反馈腔增强吸收光谱系统原理图。（图片来源：Nana Yang）

       OH自由基是大气层中最重要的氧化剂。大气的快速循环决定了大气中主要污染物的生产和消耗。由于OH自由基反应活性高、寿命短、大气含量低，因此很难准确测量OH自由基浓度，这也是当今大气化学领域中一个重要而富有挑战性的研究课题。论文第一作者Nana Yang说：“该研究提供了这一种直接检测OH自由基的新方法。”

       她进一步解释道，OF-CEAS利用谐振腔的共振光反馈到激光器，可以有效地缩小激光器线宽（如图2）。此外，它还可以实现光学自锁，提高激光器与腔体的耦合效率，实现高灵敏度探测。

图2 左图：对半导体激光器施加线性电流，并记录腔传输信号随时间变化的关系；右图：腔传输信号的局部放大图，其中虚线为峰值位置，将信号分为左A和右B两部分。（图片来源：Nana Yang）

       在这项研究中，该团队通过波长调制技术控制光相位。利用锁相放大器，他们解调腔模的1f信号为误差信号，并将其发送到比例-积分-微分-控制器（PID控制器）和伺服驱动器，以控制激光器与腔体之间的距离（如图1）。因此，该系统实现了实时锁相，并且检测灵敏度是对称分析法的三倍左右。

       综上，与法拉第旋转光谱法和频率调制光谱技术相结合，OF-CEAS为直接检测大气中OH自由基浓度提供了一种高灵敏度的方法。

[1] Nana Yang, et al., "Optical-feedback cavity-enhanced absorption spectroscopy for OH radical detection at 2.8?µm using a DFB diode laser," Opt. Express 30, 15238-15249 (2022)