安徽光机所团队在双偏振腔衰荡光谱研究方面取得新进展

近日，中国科学院安光所激光中心张志荣团队，基于自研的双偏振单三角腔腔衰荡光谱（DPS－CRDS）技术，研制出一种利用偏振依赖性拓展测量动态范围的高灵敏度温室气体CO2传感器。该传感器在同一三角环形腔内，对S偏振与P偏振两个互补损耗区间开展协同测量，实现了高探测灵敏度与宽动态范围的兼顾。相关成果以《一种可实现高灵敏度和宽动态范围的CO2监测的双偏振腔衰荡传感器》“A dua-polarization cavity ring-down sensor enabling high sensitivity and wide dynamic range CO₂ monitoring”为题，发表在传感器领域TOP期刊《传感器与执行器 B：化学》（Sensors and Actuators B：Chemical）上。

高精度温室气体监测在大气环境研究与室内空气质量评估中均具有重要意义。腔衰荡光谱凭借其超高灵敏度已成为CO2高灵敏检测的主流技术之一，但传统单偏振腔衰荡光谱CRDS存在一个固有矛盾：腔内损耗越低，衰荡时间越长，对弱吸收的探测灵敏度越高，但同时，设备对强吸收的容忍度下降，测量动态范围受限。如何在同一台仪器上同时实现高灵敏度与宽动态范围，是CRDS技术走向多场景业务化应用的关键难题。

针对这一挑战，团队利用三角环形腔在斜入射条件下多层介质膜反射镜的偏振依赖性反射率这一物理特性：在同一三角腔内，S偏振本征模具有更高的镜面反射率与更长的衰荡时间，对弱吸收更为敏感；P偏振本征模则反射率较低、衰荡时间较短，对强吸收具有更好的容忍度，两者自然形成了两个互补的损耗区间。通过精密偏振控制与空间模匹配，团队在同一腔内成功激发了两个偏振通道的单模衰荡信号，实现了两通道的协同测量。

为验证传感器性能，团队在1603纳米波段处开展了系统标定与实测。实验结果证明，两通道联合覆盖了50~10,000ppm的测量范围，动态范围较单偏振S通道拓展了一个数量级以上。在实际应用中，P偏振通道成功捕获了室内CO2从无人值守到人员密集占用、再到单侧通风与交叉通风全过程的浓度动态；S偏振通道则在科学岛实现了连续大气CO2观测，捕捉到与边界层高度、风速、太阳辐射相关的典型双峰日变化特征。在此基础上，团队还验证了该偏振调控策略的可扩展性：通过选择合适的吸收谱线与优化腔镜参数，该方法可推广至其他气体种类，为CRDS仪器突破灵敏度—动态范围权衡瓶颈提供了新思路。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S092540052601703X