高灵敏度的物质分析是现代科学研究、工业生产、环境监测和生物医学等领域的基本需求[1]、[2]、[3]。得益于快速、无损和原位检测的显著优势，光谱技术已成为物质分析的主要方法之一。腔增强吸收光谱技术（CEAS）是一种高灵敏度的激光吸收光谱技术，它利用高精度谐振腔作为气体吸收池[4]、[5]、[6]、[7]。入射激光在谐振腔内多次反射，显著增加了有效气体吸收路径长度，从而提高了测量灵敏度[8]、[9]、[10]。然而，CEAS需要频率锁定和模式匹配，使其实现较为复杂且不够稳健。因此，在实际检测任务中仍面临挑战。轴外集成腔输出光谱技术（OA-ICOS）是CEAS的一种变体。其轴外光路设计有意破坏了模式匹配，通过激发大量高阶模式，有效增强了传统CEAS的抗干扰能力，使其对环境变化（如温度、压力和振动）不敏感[11]、[12]、[13]。然而，模式匹配的破坏显著降低了OA-ICOS的输出信号强度，限制了该技术的灵敏度提升。
Leen等人在2014年提出的再注入方案提高了入射激光能量的利用效率，是增加输出信号功率的有效方法[14]。该方法通过在谐振腔前方添加一个再注入镜，将主腔镜反射的光重新注入谐振腔。Faisal Nadeem等人在2018年开发了一个三维光线追踪模型来模拟轴外腔增强光谱中的再注入过程[15]。他们测量了CO₂在6240.10 cm⁻¹区域内的单个吸收线，实现了38倍的强度增强因子和1.6 × 10⁻⁸ cm⁻¹Hz⁻¹²的噪声等效吸收灵敏度（NEAS）。2019年，Zhou等人开发了一种2 µm波段的RE-OA-ICOS系统，并对CO₂浓度进行了实验研究。结果表明，再注入结构的加入显著增强了OA-ICOS系统的吸收强度，信噪比提高了4.6倍，检测灵敏度也得到了显著提升[16]。2024年，Yang等人使用高精细度光学腔作为吸收池，并引入了激光再注入结构来测量大气中的N₂O、H₂O和CO等气体[17]。
通过在腔体前方加入再注入镜，RE-OA-ICOS显著提高了传统OA-ICOS的信号功率效率。然而，这也导致了噪声干扰的显著增加。在传统的RE-OA-ICOS配置中，再注入光束与原始入射光束有很大重叠，且它们的路径长度差异远小于激光的相干长度。因此，两束光在到达腔体镜时仍然部分相干，产生了密集的高对比度斑点干涉图案。这种不均匀的功率分布改变了局部模式耦合效率，导致高阶横向模式的不稳定激发，从而产生了额外的强度噪声[18]、[19]。因此，研究RE-OA-ICOS的光路结构以优化腔内光斑是抑制腔模式噪声和提高检测灵敏度的有效方法。
已经探索了通过多输入光束来抑制OA-ICOS模式噪声的方法，例如Zheng等人提出的双输入双输出（DIDO）耦合方案[20]。其核心思想是使用分束器将激光分成两束光，通过两组独立的输入耦合镜分别注入，通过密集的腔模式分布来减少腔噪声。然而，这些方案与基于再注入的RE-OA-ICOS系统不兼容，无法减轻由再注入光束引起的干涉噪声。此外，它们对分束光的注入位置或角度没有限制，导致腔体镜上的光斑分布不可控。这通常会导致光斑局部聚集或重叠，限制了腔模式的均匀激发，使得难以减轻再注入特有的干涉效应。
为了解决这一技术难题，我们提出了一种双光束再注入轴外集成腔输出光谱技术（DBR-OA-ICOS）。它采用双孔再注入镜对再注入光束施加空间限制。这种设计不仅保留了RE-OA-ICOS的核心优势，即恢复再注入光的光功率，还通过增加腔模式密度来减少腔模式噪声。基于LightTools仿真，设计了两束光的注入位置和间距，使它们在腔体镜面上形成空间分离且分布均匀的光斑。这不仅避免了密集的光斑干涉，还扩展了镜面不同区域的采样范围，有效平均了空间相关的噪声。
首先进行了理论分析，为提高DBR-OA-ICOS的输出光强度和信噪比（SNR）建立了理论基础。使用LightTools模拟了双光束再注入光路配置，旨在分析注入孔位置对再注入镜上光斑分布的影响。最终，开发了一个以氧气为目标气体的DBR-OA-ICOS测量系统，并进行了实验验证。该系统与传统RE-OA-ICOS测量方案进行了比较，以验证输出信号功率和灵敏度的提升。
