基于NICE-OHMS技術進行大氣壓氣樣直接檢測的理論分析

周月婷，趙 剛*，劉建鑫，郭松杰，馬維光*，薛書杭，董 磊，張 雷，尹王保，肖連團，賈鎖堂

1. 山西大學量子光學與光量子器件國家重點實驗室，山西大學激光光譜研究所，山西 太原 030006 2. 山西大學極端光學協同創新中心，山西 太原 030006 3. 山西大學附屬中學，山西 太原 030006

引 言

噪聲免疫腔增強光外差分子光譜(NICE-OHMS)是一種超靈敏可用于痕量氣體檢測的技術，其結合了頻率調制光譜(FMS)和腔增強吸收光譜(CEAS)兩項技術，其中FMS能有效抑制探測系統低頻噪聲的影響，特別是殘余強度噪聲(RIN)，CEAS可有效增長光和氣體間的相互作用長度[1-4]。為了實現兩種光譜技術的有效結合，需要使用Pound-Drever-Hall(PDH)[5]技術將激光頻率鎖定到FP腔腔模，同時將FMS的調制頻率鎖定到腔的自由光譜區(FSR), 使得頻率調制激光的載頻和邊帶都與FP腔共振，而PDH鎖頻中殘余的頻率噪聲對載頻和邊帶會產生相同的影響，其拍頻即NICE-OHMS信號不受該噪聲的影響，因此NICE-OHMS被稱為“噪聲免疫”[1, 3]。此外，激光耦合進入FP腔后會在兩個高反鏡之間多次反射，使腔內建立高強光場，因此NICE-OHMS可以同時測量多普勒(DB)以及亞多普勒(sD)光譜信號。以上所述的因素使得NICE-OHMS具有高靈敏、高分辨痕量氣體檢測的優勢。

NICE-OHMS是在1995年由美國JILA的John Hall等和華東師范大學的Ma等共同提出的，其目的是用于獲得高穩定的頻率標準[1-2]。該套系統使用了調諧能力較弱的Nd∶YAG激光器，只能用于亞多普勒信號的測量。為了測量其他氣體同時增加NICE-OHMS的實用性，各國研究人員又搭建了基于不同類型可調諧激光器的NICE-OHMS系統，包括鈦寶石激光器、ECDL激光器[6]、量子級聯激光器(QCL)[7]、光學參量振蕩(OPO)[8]、DFB激光器[9]等。……