自然界中，分子由于内在的结构振动会引起光的吸收，并且这种吸光性具有“指纹作用”，即不同的物质分子呈现出独特的吸收光谱。因此，光谱测量成为检测物质成分的一项重要手段，被广泛应用于食品安全、空气检测、以及化工过程监控等各个领域。光谱测量的一个重要波段是在中红外，对应于波长2-20微米的光波。分子对这些光波的吸收相比其他波段要高出100-1000倍，因此特别适合检测低浓度、成分复杂的物质，或是监测分子的天然同位素（通常浓度极低）。然而，实现中红外光谱测量的重要前提是能够有效地产生中红外激光光源，并对光源的功率、带宽、稳定程度等性能有着较高的要求，这也是当前激光技术所面临的一大挑战。
（图片说明：基于集成光子学芯片的光学频率梳，可以实现超大带宽，覆盖
可见光、近红外、和中红外波段，并实现中红外波段的双频梳光谱测量。）
近日，通信学院郭海润教授联合瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）光子学与量子测量实验室，实现了一种基于集成光子学芯片的中红外光学频率梳光源，克服了这一难题。这项工作于近期发表在国际光学学会期刊《OPTICA》上（2020年9月刊）。光学频率梳是指在频谱上具有一系列等间隔频率的激光元素，其具有带宽大、频率稳定等性能优势，是最为理想的光谱测量光源。郭海润及其合作团队，设计了一种复合多芯结构的集成光学波导，通过有效的波导色散管理，成功地将常规波段的激光光源转扩展到了中红外波段。由于在常规波段，例如近红外的光通信波段，激光技术已经十分成熟，并且有商用的紧凑型激光器设备，因此，团队提出的这一方法，可以极大地降低中红外激光光源的技术难度。“我们把紧凑型的光纤激光器和集成光学芯片结合起来，未来有希望做成一种便携式的中红外光学频率梳，从而走出实验室，应用到更复杂的环境中进行光谱检测。”郭海润表示。
在这项工作中，团队不仅实现了大带宽、高平坦度的中红外光源，而且采用两组光学频率梳，搭建了一款中红外双频梳光谱仪，实现了快速、高分辨的光谱检测。测量的波长范围是中红外2.8-3.6微米，其中包含了100万个频率梳的激光元素，探测灵敏度达到了十万分之一量级（10ppm），具备了探测例如大气中一氧化碳含量的能力。此外，团队利用双频梳光谱仪还成功探测到了气体分子的多种同位素，如碳13甲烷（13CH4），和氘甲烷（12CH3D），其含量分别为普通分子浓度的1.11%和0.06%。同位素虽然在自然界中虽然含量极低，但却是星系形成过程中的重要产物，因此监测分子同位素对于地球科学的研究具有重要作用。
这项工作开展于2018年，郭海润时任EPFL光子学与量子测量实验室的博士后研究员，合作导师是非线性集成光子学领域著名的Kippenberg教授。之后，郭海润加入了上海大学特种光学与光接入网重点实验室，目前组建了超快光频梳课题组，继续开展微纳光学频率梳技术的相关研究。
参与这项工作的还有当时课题组的翁文乐博士、刘骏秋博士，以及来自光纤实验室的杨帆博士，他们与郭海润一起完成了光子学芯片的设计、加工，中红外光学频率梳实验，双频梳光谱仪的搭建，以及中红外的光谱测量、和数据分析等主要工作。论文的合作单位有光学频率梳的龙头企业，德国Menlo Systems公司。EPFL的Kippenberg教授、Thévenaz教授、和Brès教授，以及Menlo公司的CEO Holzwarth博士对这项工作进行了指导。这项工作也得到了美国、欧盟、瑞士以及中国在内的多个项目资助。
论文原文：
Hairun Guo, Wenle Weng, Junqiu Liu, Fan Yang, Wolfgang Hänsel, Camille Sophie Brès, Luc Thévenaz, Ronald Holzwarth, and Tobias J. Kippenberg, "Nanophotonic supercontinuum-based mid-infrared dual-comb spectroscopy,"Optica7, 1181-1188 (2020).
https://doi.org/10.1364/OPTICA.396542
