Adv. Photon. Nexus | 双梳光谱综述：从原理到应用，读懂下一代精密光谱技术

Advanced Photonics Nexus 2026年第4期文章：

Ke Dai, Tianchang Lu, Yuchen Zou, Qiang Ling, Hanyu Ye, Hao Chen, Zhangwei Yu, Zhiming Liu, Liwen Sheng, Aiguo Zhang, Yusheng Zhang, Yadong Deng, Yudong Cui, Daru Chen, Zhipei Sun, "Dual-comb spectroscopy: recent advances and applications," Adv. Photon. Nexus 5, 044001 (2026)

光学频率梳被誉为光学标尺，有效搭建起微波与光频之间的频率桥梁，在光钟、引力波探测等前沿科研领域发挥着不可替代的作用。但传统单光梳检测技术受色散元件、机械扫描结构制约，始终难以兼顾光谱分辨率与探测效率。在此背景下，双梳光谱（DCS）技术应运而生。该技术利用两台重复频率存在微小差异的光学频率梳产生多外差干涉，将光频域信息完整转换至射频域，全程无需机械扫描，彻底突破了传统技术的瓶颈。凭借免扫描、超高分辨率、宽光谱覆盖、探测迅速等综合优势，双梳光谱现已成为精密探测领域的前沿核心技术。针对近年来该技术的飞速发展，浙江师范大学张裕生、邓亚栋团队联合浙江大学崔玉栋团队，全面梳理了双梳光谱的技术体系、落地应用，并对该领域未来的发展方向做出了深度研判。

图1 双梳光谱技术的基本原理示意图

论文系统梳理了当前六大主流双梳实现平台，不同光源各有所长，形成差异化技术路线。锁模激光器是目前最成熟的方案，其中单腔双梳凭借共模噪声抑制能力，大幅提升相干性、简化结构，是小型化设备的首选。电光调制光梳频率可调范围大，适用于测距与光声光谱；微谐振器光梳主打片上集成，体积小巧、分辨率高，是便携式设备、激光雷达的核心光源。此外，外注入增益开关激光器成本低廉，适合常规痕量气体检测；光-光调制方案频谱覆盖广，多用于多组分气体分析；量子级联激光器则深耕分子指纹区的中红外波段，是红外光谱探测的主力。

依托多样光源，双梳光谱演化出七大类探测方案，极大拓展了技术边界。基础的直接吸收双梳光谱结构简单，可实现百公里级大气远程探测；腔增强、腔衰荡技术借助高精细光学腔延长光程，将探测灵敏度提升至ppt量级，可精准捕捉微量污染物。光声、光热双梳光谱摆脱传统光电探测器的波长限制，适用于浑浊介质、固体、表面样品检测；腔光力学方案结合纳米机械结构，冲击单分子探测极限；非线性双梳光谱则依托非线性光学效应，成为分子动力学、基础物理研究的重要工具。

图2 双梳光谱技术的不同探测方案

如今双梳光谱已逐步走出实验室，在六大领域实现落地应用：气体传感中可长距离同步监测温室气体与大气污染物，助力污染源追溯和气候研究；化学分析领域能凭借超高分辨率完成城市、厂区的实时监测；光谱成像可省去双重扫描，实现无标记化学成像，适用于微粒追踪、全息成像；依托光梳的高精度，它可完成微米至纳米级测距，服务仪器校准与远距离探测，搭配激光雷达还可应用于自动驾驶、安防遥感；此外，该技术与光纤传感结合，还能搭建可穿戴设备，实现手势识别与工业动态监测，赋能人机交互和工业运维。

目前双梳光谱仍存在产业化痛点：核心光学器件与锁相设备成本偏高，系统调试复杂，不利于民用普及；野外、长距离探测时，环境扰动易造成光梳相位漂移，降低测量精度；海量光谱数据也对实时处理能力提出挑战。

针对现存问题，团队指明三大发展方向：一是芯片化集成，将光梳、探测器、信号模块集成在单芯片上，打造小型化、低功耗的片上光谱仪；二是人工智能融合，利用深度学习完成降噪、特征提取与实时数据分析，优化探测参数；三是拓展极端环境应用，研发耐高温、抗辐射专用光源，进军高温工业、聚变装置等特殊场景。此外，量子增强双梳光谱也成为前沿探索方向，有望进一步突破探测灵敏度极限。

历经二十余年发展，双梳光谱已从创新理论演变为体系完备的实用技术。随着集成光子、人工智能等技术持续赋能，它将逐步走进环境监测、生物医药、工业测控、航空航天等更多场景，有望成为新一代通用光谱工具，持续推动精密探测技术向前发展。