华东师范大学曾和平、闫明等：中红外光频梳及光谱应用 |《光学学报（网络版）》封面

封面解析

封面展示了光学频率梳（简称“光频梳”）的核心特征，以及中红外光频梳在分子光谱领域中的典型应用。光频梳在频域上由等间隔、窄线宽且相干锁定的谱线构成，可同时实现宽光谱覆盖、高光谱分辨率和快速数据采集。中红外光频梳光谱覆盖分子振动基频跃迁所在的“分子指纹”区，具有吸收强度高、分子识别特异性强等优势，在瞬态化学反应监测、痕量气体检测、燃烧场诊断以及大气环境监测等领域具有重要应用价值。

全文链接：戴言, 杨梅, 闫明, 曾和平. 中红外光学频率梳及光谱应用进展（特邀）[J]. 光学学报（网络版）, 2026, 3(15): 1506001.

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背景介绍

光频梳在时域上表现为高度稳定的脉冲序列，转换到频域后，则形成由众多窄线宽谱线组成的规则“梳状”结构（如图1所示）。与传统光源相比，光频梳兼具宽光谱覆盖、高频率精度和可溯源标定等优势，在精密光谱、超快动力学和频率计量等领域展现出重要价值。

图1 时域中的光频梳脉冲序列及其对应的频域表示

中红外光谱区域（2-20 μm）集中了大量分子的基频振动跃迁，形成了独特的“分子指纹”区，是分子识别、精密测量和环境监测的重要光谱窗口。然而，受激光增益介质工作波段的限制，成熟的锁模光频梳大多工作在近红外区域。因此，获得同时具备宽带覆盖、高输出功率与优良相干性的中红外光频梳，已成为推动光频梳光谱向更高灵敏度和更广应用场景发展的关键方向。基于此，华东师范大学曾和平、闫明课题组受邀围绕中红外光频梳的产生与光谱应用两条主线，系统梳理了其主要技术路线、代表性进展及未来发展方向。

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中红外光频梳的产生与应用

2.1 中红外光频梳的产生

目前，中红外光频梳的产生主要包括非线性频率转换和直接产生两类技术路线。

非线性频率转换方法包括差频产生、光参量振荡及微腔克尔光频梳产生等技术，能较好继承泵浦源的频率稳定性和相干性。差频产生的中红外光频梳波段覆盖宽广、相干性高，还可以通过脉冲内差频获得载波包络偏移频率为零的光频梳；光学参量振荡借助谐振腔增强非线性转换，可实现高输出功率和宽调谐范围；微腔光频梳则依靠高品质因子微腔中的级联四波混频效应产生等间隔梳齿，具有体积小、重复频率高和易于集成等优势。然而，这类方案的功率提升和波段拓展仍受非线性材料、色散调控及相位匹配条件等因素制约；其中，传统差频产生和光学参量振荡系统多依赖自由空间光路，增加了系统复杂度与应用成本。

直接产生路线则利用中红外增益介质或半导体平台直接形成光频梳，在结构紧凑性和系统集成方面具有很大的潜力。基于过渡金属掺杂晶体和稀土掺杂光纤的锁模激光器，可在短波中红外区域产生峰值功率高、时间相干性良好的超短脉冲；量子级联激光器光频梳基于子带间跃迁，可直接发射宽波段中红外信号，输出功率较高，适合实际应用场景。但是此类方法性能受增益介质和热管理等因素影响，往往难以兼顾宽带覆盖与高功率输出。

2.2 中红外光频梳的应用

随着光源性能和探测方法的持续进步，中红外光频梳正由基础光谱研究走向复杂体系测量与实际场景应用，在痕量气体检测、环境监测、燃烧诊断和化学动力学研究等方向展现出广泛的科学价值和应用潜力。

在痕量气体检测领域，中红外光频梳依托分子基频振动吸收强、光谱特异性高的优势，可实现多种气体及其同位素体的高灵敏识别与定量分析。随着光谱覆盖范围、相干性、频率精度和信噪比不断提升，其应用已由单一组分检测拓展至宽带、多组分并行测量，并可解析复杂分子的精细吸收结构和同位素组成（如图2所示）。双光频梳和光声探测等方案进一步提升了中红外光频梳的测量能力，推动其从实验室测量拓展至开放光路与现场监测，并逐步服务于大气监测、温室气体分析和有害气体预警等应用场景。

图2 中红外光频梳在痕量气体检测领域的应用^[1]。（a）测定大气CO₂稳定同位素比的双光频梳光谱仪的实验装置；（b）通过双光频梳光谱仪测量得到的归一化光谱，以及同位素分子¹²C¹⁶O₂、¹³C¹⁶O₂和¹⁶O¹²C¹⁸O的模拟贡献（上），测量光谱与HITRAN模拟之间的残差（下）

在化学动力学监测领域，中红外时间分辨光频梳光谱技术可连续记录反应物、短寿命中间体及产物的光谱变化，并据此提取反应速率和分支比等关键动力学参数（如图3所示）。近年来，该技术的应用已拓展至燃烧、等离子体及其他复杂反应体系，为瞬态过程和反应机理研究开辟了新的途径。

图3 中红外光频梳在化学动力学监测领域的应用。（a）OH+CO反应势能面^[2]；（b）利用时间分辨光频梳光谱测得的丙烯酸-d₁光解后200 μs内trans-DOCO瞬态吸收谱的时间演化^[3]

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总结与展望

中红外光频梳在分子光谱学、精密计量与环境监测等领域展现出广阔的应用前景，但在长波覆盖、输出功率、相干性、长期稳定性和系统集成等方面仍需进一步提升。未来，随着新型增益介质和非线性材料、高品质因子微腔及先进数据处理方法的持续发展，中红外光频梳有望拓展至更广泛的科学研究和实际应用场景，为高精度分子光谱测量和复杂环境探测提供更加有力的技术手段。

参考文献：

[1] Goldschmidt J, Brugger N, Nitzsche L, et al. Dual Comb Spectrometer for the Determination of Stable Isotopic Ratios of Atmospheric CO₂ with Sub-Permille Precision at Atmospheric Pressure[J]. Analytical Chemistry, 2025, 97(51): 28254-28261.

[2] Bui T Q, Bjork B J, Changala P B, et al. Direct measurements of DOCO isomers in the kinetics of OD + CO[J]. Science Advances, 2018, 4(1): eaao4777.

[3] Fleisher A J, Bjork B J, Bui T Q, et al. Mid-Infrared Time-Resolved Frequency Comb Spectroscopy of Transient Free Radicals[J]. The Journal of Physical Chemistry Letters, 2014, 5(13): 2241-2246.

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