长春光机所考研难度，长春光机所考研难度大吗
联系上王强的那天，他正要登上去西藏拉萨的飞机出差。课题组此前的相关成果，已用于青藏高原科考项目中。其研究方向之一是光学频率梳（OFC，optical frequency comb）。几年前，他还曾在诺奖得主、光频梳发明者之一、德国马克斯普朗克量子光学研究所西奥多·汉斯（Theodor W. Hänsch）教授课题组工作过。
图 | 王强（来源：王强）
一把“梳子”竟和诺奖有关系？光学频率梳，名字带有一个“梳”，却和日常家用梳子无甚关系。2005 年，德国物理学家西奥多·汉斯和美国物理学家约翰·霍尔（John L. Hall），凭借在光梳领域的杰出贡献，一起获得 2005 年诺贝尔物理学奖。
作为一种计量仪器，光学频率梳主要用于物理学、机械工程等领域。继超短脉冲激光问世之后，它被认为是激光技术领域的又一重大突破。而之所以名字带有“梳”，是因为超短脉冲激光在时域和频域上的分布特性很像头发梳子。
可以说，光学频率梳为科学研究提供了一把测量频率和时间的标尺，从根本上解决了光频计量问题，极大促进了基础物理研究领域的发展。
目前，王强在中国科学院长春光学精密机械与物理研究所担任研究员。近日，他联合香港中文大学工程学院的任伟教授，提出一种双光梳光热光谱方法（DC-PTS，Dual-comb Photothermal Spectroscopy），借此首次实现基于光频梳的气体分子光热光谱测量。
（来源：Nature Communications）
研究中，他们将光学频率梳技术和光热光谱技术相结合，提出了双光梳光热方法。其使用两台光频梳光源，作为气体光热光谱的泵浦光。
虽然每台光频梳的重复频率都高达几百 MHz，大大快于气体分子的光热弛豫过程，但两台光频梳的结合使得其中一列光脉冲，在另一列光脉冲的持续时间内等时长移动，从而完成光脉冲的周期性调制，借此将光脉冲的调制频率调整到气体分子的弛豫频率极限以内，最终让双光梳光源的每一对梳齿的外差拍频，都能对气体分子实现具有独特频率的强度调制。
进而，王强等人使用干涉仪，来探测气体分子的折射率变化，通过解析干涉仪探测光的相位，得到宽波段范围内的精细光谱信息。
在验证实验中，课题组在一根仅7cm 短的空芯光纤内，便对 0.17μL 的样气实现了超过 1THz 的光谱信息解析，其探测灵敏度也达到了 ppm 量级（百万分之一）。
概括来说，通过充分结合光学频率梳和光热光谱各自的优点，该方法克服了传统检测技术方案中的缺点，同时兼具传统激光光谱技术中高选择性、快速响应等优点，未来有望成为高精密、小型化的有力工具，以用于气体传感探测中。
概括来说，此次研究从当前气体传感应用对于高精密激光光谱技术的需求出发，通过两个传统技术的结合，催生出一个具有独特特征的光谱方法。
该方法不仅继承了传统激光光谱技术的优势，而且所需样品量小，为实现宽波段、高分辨率和高灵敏气体检测提供了新思路。
在验证方案可行性的基础上，以及随着光源、干涉仪等核心模块体积的进一步缩小，王强相信该技术的整体体积将变得更加紧凑，从而有望让它走出实验室，推进精密气体传感装备的广泛应用，特别是将有助于样品量小、气体种类丰富、且需快速响应的应用，比如医学呼气诊断、大气污染物监测、工业过程控制、地外深空探测等。
4 月 21 日，相关论文以《双光梳光热光谱》（）为题，发表在 Nature Communications 上。
图 | 相关论文（来源：Nature Communications）
研发精密气体探测装备，为国家青藏高原科考提供重要科学数据
长期以来，该团队针对气相物质探测这一目标，致力于前沿激光光谱方法和精密气体传感应用技术的研究，已研发出多种用于各类恶劣环境的精密气体探测装备，目前已给国家青藏高原科考、深海原位勘探等重大科研项目中的科学研究，提供了重要科学数据。其中包括关键气体分子和其同位素标记物的实时精准探测以及大范围的垂直廓线分布等。
（来源：Nature Communications）
王强表示，传感器是推动社会信息化和智能化发展的重要组成部分，其中基于激光光谱的气体传感，是一类极其重要的传感器，不仅能为前沿物理、化学、生物等基础科学研究提供关键的标记物信息，而且也推进了人类健康、航天探索、深海勘探等多项事业的发展。
近年来，随着全球环境、生态以及能源问题的不断恶化，激光吸收光谱气体检测技术受到了空前关注，同时对光学气体传感的分析能力提出了更高要求。
这主要体现在两方面：一是具备极低含量物质（也称为痕量物质）的测量能力，二是具备多物质成分吸收特征的鉴别能力。这就要求所使用的光谱技术，不仅需要具有极高的测量灵敏度，而且在能覆盖较宽光谱波段时，必须具有极好的光谱分辨率。
在频域上，光学频率梳表现为一系列相等频率间隔的相干梳状频谱线，对与气体作用后的激光进行解析，不仅可以获得宽光谱覆盖范围，还可同时获得极高的光谱分辨率，这为高精度气体吸收光谱测量提供了新的技术手段。
然而，这种技术往往依赖于高带宽光电探测器和复杂光谱解析技术，而且需要相当长的激光与气体相互作用距离才能提高检测灵敏度。因此，繁琐的控制技术和较大的测量体积，成为其在气体传感领域的主要应用瓶颈。
为解决上述问题，课题组将眼光投向光热光谱技术，这是一种基于光热效应的气体检测方法。光热效应造成的气体折射率变化是其检测目标，而非传统检测技术中光与气体相互作用后的光强变化。
光学频率梳和光热光谱技术的叠加，再结合全光相干探测，成为气体传感领域内一种灵敏度极高的无背景光谱技术。
审稿人点赞：“这是我所知道的第一个双光梳光热光谱结果”
对于王强团队来说，通过掌握气体组分的精密检测技术，去实现更高的检测灵敏度、更精准的光谱分析，一直是其追求的科研目标。
过去几年间，王强对包括光学频率梳、光声/光热光谱在内的先进光谱技术做了研究，对不同光谱技术的优缺点有着充分了解，这为此次光频梳光热光谱方法的研发奠定了坚实基础。
（来源：Nature Communications）
光频梳的重复频率一般是百 MHz 量级，而光热光谱的响应频率，受限于气体分子的弛豫时间，最快只能到几十 kHz。巨大的频率差异，使得两者的直接结合巨难无比。
直到了解到双光梳光谱技术，王强发现可以利用第二台光频梳，将第一台光频梳的每一个梳齿，通过多外差拍频的方式实现降频处理。
而且，通过控制两台光频梳光源的重复频率差，可以控制降频的程度，进而让光频梳的调制频率和光热光谱的响应频率匹配具有一定可能性。
基于这一想法的雏形，王强立即与香港中文大学王震博士和任伟教授取得联系，对光源、光纤器件、干涉仪、解析算法等各方面进行了可行性探讨。
“我们对这一个新型的光谱方法感到十分期待，最终制定了详细的实施方案。而在空芯光纤核心器件方面的实验中，我们又得到了香港理工大学电机工程系靳伟教授、姜寿林博士以及暨南大学光子技术研究院汪滢莹教授等合作伙伴的大力支持。”王强表示。
在集齐所有设备和器件后，从搭建实验系统到完成实验，耗时大约 10 天时间，进而通过数据整理、分析，得到了预期实验结果。
（来源：Nature Communications）
该工作一共有三位审稿人，经历了两轮评审。王强说：“通过审稿人的问题，我们能感觉到他们是光谱领域内的顶级专家。三个审稿人都肯定了研究的出发点，并指出我们总结的问题，确实是气体传感领域、甚至是精密光谱探测领域内极其重要而又未曾解决的难点。”
随后，三位审稿人均对解决问题思路的创新性，给予了较高的正面评价。例如：
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审稿人一指出：“这项工作对问题的解决是清晰而有趣的，是一种基于光谱吸收测量的新原理。”
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审稿人二指出：“这个新方案，提供了以前从未实现过的优势以及灵活性。”
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审稿人三指出，这是他所知道的第一个双光梳光热光谱结果，将对其他研究人员有潜在益处。
“然而，审稿人并不只是褒奖此次发现和实验结果，其问题的刁钻也催促我们对此方法有了更深入的思考。”王强表示。
比如，审稿人二在第二轮问题中指出，此次系统中的干涉仪不仅会造成探测光的干涉，而且会导致泵浦光的干涉从而引起噪声，这样的系统会给最终的测量灵敏度带来巨大挑战。
对于该审稿人提出的问题，王强表示认可。经过他和合作者的讨论分析后，其采用针对性的镀膜方案，让问题得以解决。
即针对探测光，镀上高反膜；针对泵浦光，镀上高透膜。这不仅解决了泵浦光的干涉噪声问题，也极大增强了探测光的干涉信号，并大幅度提升了信号比，也让系统得到极大改进。该审稿人也对这一解决方案给予充分肯定。
为完成研究，放弃春节和父母团聚机会
对于此次用到的光源、控制器、空芯光纤、干涉仪、探测器、样气、气路系统等关键实验设备，由王强分别通过自研、合作、采购等方式集齐，然而集齐的时间恰恰在 2021 年春节前夕。
王强说：“对于科研工作者而言，平日的工作是忙碌而紧凑的。一年难得有几次休假的机会，能回老家与父母团聚的机会更是少之又少。”但是，他和王震博士等几个主要实验完成人在商量后，果断放弃休假机会，决定开展期待已久的实验。
实验系统是从 2021 年 2 月 13 日（大年初二）开始搭建的，经过系统参数的调整，4 天后他们第一次看到双光梳光热现象。接下来的 5 天内，课题组按照既定实验计划，从一个传感系统的角度，评估了探测极限、响应时间、功率依赖性等指标。
中间穿插着王强与任伟教授的多次无预约即时讨论，实验过程也让人激动而兴奋。最终，完全验证了之前的假设。“这不仅得益于我们之前的充分论证和精心准备，而且归功于合作团队的科研热情和工作默契，更重要的是得到了家人的理解和支持。”王强表示。
由于该研究旨在报道一个新型光谱方法，并验证其在解决当前技术瓶颈上的可行性。下一步，该团队将发掘其性能潜力，推进其在不同领域的广泛应用。
一方面，要将当前的近红外波段研究扩展至中红外波段，以利用更强的气体分子吸收谱线，进一步提升传感检测的灵敏度。
另一方面，要与当前的片上光源研究结合，进一步降低其整体尺寸和功耗，实现其传感结构的紧凑性，提升传感器件的便捷性。
回顾研究，王强提到了两个“科”：科研土壤、科研合作。
他说：“树木成长离不开土壤的营养，同样科研成果的取得也离不开科研土壤的支持。这项研究得到了国家自然科学基金委、中科院和长春光机所等机构的项目资助，大大提升了团队的有效科研时间。借此机会，我们也向资助单位表示感谢。”
而在科研合作上，任何一项研究都不是独立的，大多依靠多学科的交叉融合。以本次研究为例，不仅涉及光谱知识，还涉及机械机构设计、电学控制系统、算法、软件处理等多个方面。
此外，王强未来的工作也将涉及半导体工艺、新型光电材料等，因此他和团队特别希望能够与这方面的专家通力合作，一起推动精密光学气体传感的发展。
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参考：
1、Wang, Q., Wang, Z., Zhang, H. et al. Dual-comb photothermal spectroscopy. Nat Commun 13, 2181 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-29865-6
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