Mid-infrared swept cavity-enhanced photoacoustic spectroscopy using a quartz tuning fork

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作者
Qinxue Nie,Zhen Wang,Simone Borri,Paolo De Natale,Wei Ren
出处
期刊:Applied Physics Letters [American Institute of Physics]
卷期号:123 (5) 被引量:13
标识
DOI:10.1063/5.0159131
摘要

We report the development of swept cavity-enhanced photoacoustic spectroscopy using a quartz tuning fork for ultra-sensitive and high-resolution molecular spectroscopy. By using a quantum cascade laser (QCL) as the mid-infrared light source, a dual-feedback Pound–Drever–Hall locking method is proposed to lock the QCL frequency to a continuously swept optical cavity. By placing an off-beam quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy module in a 48-mm Fabry–Pérot cavity, we are able to achieve ultra-sensitive gas detection based on the doubly resonant photoacoustic effect. As a proof-of-concept, we use a distributed feedback QCL to exploit the CO line at 2190.02 cm−1, where the cavity-locked QCL is scanned over a spectral range of 10 GHz with a spectral resolution of ∼3 MHz. With the incident laser power of 7.3 mW, the optical cavity (finesse 1931) builds up the intracavity power beyond 3 W. Our photoacoustic spectrometer achieves the minimum detection limit of 375 part-per-trillion (ppt) at the averaging time of 150 s and the normalized noise equivalent absorption coefficient of 1.27 × 10−9 Wcm−1 Hz−1/2.
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