- Open Access
Leveraging Resonant Frequencies of an Optical Cavity for Spectroscopic Measurement of Gas Temperature and Concentration
Phys. Rev. Lett. 135, 103201 – Published 3 September, 2025
DOI: https://doi.org/10.1103/2jz1-dr5l
Abstract
We introduce a spectroscopic approach to primary gas thermometry, harnessing precise optical cavity resonance frequencies and ab initio molecular line intensity calculations. By utilizing CO (3-0) vibrational band lines and cavity mode dispersion spectroscopy, we achieve an uncertainty of 82 ppm (24 mK at 296 K) in line intensity ratio thermometry—over an order of magnitude lower than any previously reported spectroscopic thermometry at gas pressures above 1.2 kPa. This method extends high-precision spectroscopic thermometry across a pressure range an order of magnitude larger than prior techniques, enabling a fully optical, noncontact, and molecule-selective primary amount-of-substance measurement. We further demonstrate sub-permille uncertainty in gas concentration measurements across pressures from 50 Pa to 20 kPa, significantly enhancing the precision and versatility of spectroscopic gas metrology.
Physics Subject Headings (PhySH)
Article Text
References (55)
- M. Stock, R. Davis, E. de Mirandes, and M. J. T. Milton, Metrologia 56, 022001 (2019).
- B. Fellmuth, J. Fischer, G. Machin, S. Picard, P. P. M. Steur, O. Tamura, D. R. White, and H. Yoon, Phil. Trans. R. Soc. A 374, 20150037 (2016).
- C. Daussy, M. Guinet, A. Amy-Klein, K. Djerroud, Y. Hermier, S. Briaudeau, C. J. Bordé, and C. Chardonnet, Phys. Rev. Lett. 98, 250801 (2007).
- L. Gianfrani, Phil. Trans. R. Soc. A 374, 20150047 (2016).
- M. P. Arroyo and R. K. Hanson, Appl. Opt. 32, 6104 (1993).
- R. Berman, P. Duggan, M. P. L. Flohic, A. D. May, and J. R. Drummond, Appl. Opt. 32, 6280 (1993).
- Y. Shimizu, S. Okubo, A. Onae, K. M. T. Yamada, and H. Inaba, Appl. Phys. B 124, 71 (2018).
- L. Santamaria Amato, M. S. de Cumis, G. Bianco, R. Pastore, and P. C. Pastor, New J. Phys. 21, 113008 (2019).
- R. Gotti, M. Lamperti, D. Gatti, S. Wójtewicz, T. Puppe, Y. Mayzlin, B. Alsaif, J. Robinson-Tait, F. Rohde, R. Wilk, P. Leisching, W. G. Kaenders, P. Laporta, and M. Marangoni, New J. Phys. 22, 083071 (2020).
- R. Ciuryło, A. S. Pine, and J. Szudy, J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer 68, 257 (2001).
- R. Ciuryło, D. A. Shapiro, J. R. Drummond, and A. D. May, Phys. Rev. A 65, 012502 (2002).
- N. Ngo, D. Lisak, H. Tran, and J.-M. Hartmann, J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer 129, 89 (2013).
- A. Cygan, D. Lisak, R. S. Trawiński, and R. Ciuryło, Phys. Rev. A 82, 032515 (2010).
- M. Triki, C. Lemarchand, B. Darquié, P. L. T. Sow, V. Roncin, C. Chardonnet, and C. Daussy, Phys. Rev. A 85, 062510 (2012).
- L. Moretti, A. Castrillo, E. Fasci, M. D. De Vizia, G. Casa, G. Galzerano, A. Merlone, P. Laporta, and L. Gianfrani, Phys. Rev. Lett. 111, 060803 (2013).
- P. Wcisło, A. Cygan, D. Lisak, and R. Ciuryło, Phys. Rev. A 88, 012517 (2013).
- R. Gotti, L. Moretti, D. Gatti, A. Castrillo, G. Galzerano, P. Laporta, L. Gianfrani, and M. Marangoni, Phys. Rev. A 97, 012512 (2018).
- L. Rothman et al., J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer 60, 665 (1998).
- L. Santamaria Amato, M. Siciliani de Cumis, D. Dequal, G. Bianco, and C. P. Pablo, J. Phys. Chem. A 122, 6026 (2018).
- K. Pachucki and J. Komasa, Phys. Rev. A 78, 052503 (2008).
- O. L. Polyansky, K. Bielska, M. Ghysels, L. Lodi, N. F. Zobov, J. T. Hodges, and J. Tennyson, Phys. Rev. Lett. 114, 243001 (2015).
- K. Bielska, A. A. Kyuberis, Z. D. Reed, G. Li, A. Cygan, R. Ciuryło, E. M. Adkins, L. Lodi, N. F. Zobov, V. Ebert, D. Lisak, J. T. Hodges, J. Tennyson, and O. L. Polyansky, Phys. Rev. Lett. 129, 043002 (2022).
- C. Boulet, P.-M. Flaud, and J.-M. Hartmann, J. Chem. Phys. 120, 11053 (2004).
- Z. D. Reed, H. Tran, H. N. Ngo, J.-M. Hartmann, and J. T. Hodges, Phys. Rev. Lett. 130, 143001 (2023).
- R. Ciuryło and J. Szudy, Phys. Rev. A 63, 042714 (2001).
- A. S. Pine, J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer 224, 62 (2019).
- D. Romanini, A. A. Kachanov, N. Sadeghi, and F. Stoeckel, Chem. Phys. Lett. 264, 316 (1997).
- A. Cygan, A. J. Fleisher, R. Ciuryło, K. A. Gillis, J. T. Hodges, and D. Lisak, Commun. Phys. 4, 14 (2021).
- A. Cygan, D. Lisak, P. Morzyński, M. Bober, M. Zawada, E. Pazderski, and R. Ciuryło, Opt. Express 21, 29744 (2013).
- A. Cygan, P. Wcisło, S. Wójtewicz, P. Masłowski, J. T. Hodges, R. Ciuryło, and D. Lisak, Opt. Express 23, 14472 (2015).
- A. Cygan, S. Wójtewicz, H. Jóźwiak, G. Kowzan, N. Stolarczyk, K. Bielska, P. Wcisło, R. Ciuryło, and D. Lisak, Sci. Adv. 11, eadp8556 (2025).
- R. Gotti, M. Lamperti, D. Gatti, and M. Marangoni, J. Phys. Chem. Ref. Data 50, 031501 (2021).
- R. Hashemi, C. Povey, M. Derksen, H. Naseri, J. Garber, and A. Predoi-Cross, J. Chem. Phys. 141, 214201 (2014).
- G.-W. Truong, J. D. Anstie, E. F. May, T. M. Stace, and A. N. Luiten, Nat. Commun. 6, 8345 (2015).
- D. Gatti, A. A. Mills, M. D. De Vizia, C. Mohr, I. Hartl, M. Marangoni, M. Fermann, and L. Gianfrani, Phys. Rev. A 88, 012514 (2013).
- A. Castrillo, E. Fasci, H. Dinesan, S. Gravina, L. Moretti, and L. Gianfrani, Phys. Rev. Appl. 11, 064060 (2019).
- J. T. Hodges, K. Bielska, M. Birk, R. Ciuryło, A. Cygan, V. D’Agostino, R. Guo, G. Li, J. S. Lim, D. Lisak, Z. D. Reed, G. Wagner, and S. Wójtewicz, Metrologia 62, 08006 (2025).
- Q. Huang, Y. Tan, R.-H. Yin, Z.-L. Nie, J. Wang, and S.-M. Hu, Metrologia 61, 065003 (2024).
- A. Cygan, P. Wcisło, S. Wójtewicz, G. Kowzan, M. Zaborowski, D. Charczun, K. Bielska, R. S. Trawiński, R. Ciuryło, P. Masłowski, and D. Lisak, Opt. Express 27, 21810 (2019).
- G. Casa, A. Castrillo, G. Galzerano, R. Wehr, A. Merlone, D. Di Serafino, P. Laporta, and L. Gianfrani, Phys. Rev. Lett. 100, 200801 (2008).
- K. M. T. Yamada, A. Onae, F.-L. Hong, H. Inaba, H. Matsumoto, Y. Nakajima, F. Ito, and T. Shimizu, J. Mol. Spectrosc. 249, 95 (2008).
- C. Lemarchand, M. Triki, B. Darquié, C. J. Bordé, C. Chardonnet, and C. Daussy, New J. Phys. 13, 073028 (2011).
- G.-W. Truong, E. F. May, T. M. Stace, and A. N. Luiten, Phys. Rev. A 83, 033805 (2011).
- C.-F. Cheng, J. Wang, Y. R. Sun, Y. Tan, P. Kang, and S.-M. Hu, Metrologia 52, S385 (2015).
- G. Galzerano, Measurement 164, 107940 (2020).
- S. Gravina, N. A. Chishti, A. Castrillo, L. Gianfrani, A. Sorgi, P. C. Pastor, C. Clivati, F. Bertiglia, G. Lopardo, F. Levi, and G. Galzerano, Phys. Rev. A 109, 022816 (2024).
- R. Wehr, E. McKernan, A. Vitcu, R. Ciurylo, and J. R. Drummond, Appl. Opt. 42, 6595 (2003).
- J. Tennyson et al., Pure Appl. Chem. 86, 1931 (2014).
- A. Bousheheri, J. Bzowski, J. Kestin, and E. A. Mason, J. Phys. Chem. Ref. Data 16, 445 (1987).
- A. J. Fleisher, H. Yi, A. Srivastava, O. L. Polyansky, N. F. Zobov, and J. T. Hodges, Nat. Phys. 17, 889 (2021).
- M. Birk, C. Röske, and G. Wagner, J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer 272, 107791 (2021).
- E. M. Adkins, S. N. Yurchenko, W. Somogyi, and J. T. Hodges, J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer 338, 109412 (2025).
- D. Lisak, V. D’Agostino, S. Wójtewicz, A. Cygan, M. Gibas, P. Wcisło, R. Ciuryło, and K. Bielska, RepOD (2025), 10.18150/ACHDX1.
- R. W. P. Drever, J. L. Hall, F. V. Kowalski, J. Hough, G. M. Ford, A. J. Munley, and H. Ward, Appl. Phys. B 31, 97 (1983).
- A. Cygan, S. Wójtewicz, G. Kowzan, M. Zaborowski, P. Wcisło, J. Nawrocki, P. Krehlik, Ł. Śliwczyński, M. Lipiński, P. Masłowski, R. Ciuryło, and D. Lisak, J. Chem. Phys. 144, 214202 (2016).