中科院上海光機所強場激光物理國家重點實驗室研究團隊自2011年在國際上率先報道強場電離誘導的“空氣激光”現(xiàn)象以來[Phys. Rev. A 84, 051802 (2011)]，一直致力于空氣激光的強場物理與遙感應用研究。近期，該團隊利用空氣激光，發(fā)展了一種高靈敏度的相干拉曼光譜技術，實現(xiàn)了大氣中溫室氣體濃度的定量檢測、多組分同時探測和CO₂同位素識別，探測靈敏度達到0.03%的水平，最小信號抖動達到2%的水平。相關研究以High-Sensitivity Gas Detection with Air-Lasing-Assisted Coherent Raman Spectroscopy為題發(fā)表于Ultrafast Science。

空氣激光輔助的相干拉曼光譜技術的基本原理如圖1所示。飛秒激光與空氣的極端非線性作用，一方面激發(fā)空氣分子的光學增益，實現(xiàn)了1000倍以上的種子放大，產(chǎn)生了波長為428 nm、線寬為13 cm^-1的氮氣離子空氣激光。同時，飛秒激光在大氣中非線性傳輸，將頻譜帶寬拓展到3800 cm^-1，比入射光譜寬一個數(shù)量級以上，足以激發(fā)空氣中大部分污染物分子和溫室氣體的相干拉曼振動。當空氣激光遇到相干振動的分子，有效產(chǎn)生相干拉曼散射。通過記錄相干拉曼信號與空氣激光的頻移，即“拉曼指紋”，便可以得知分子的“身份信息”——化學成分。

圖1. 空氣激光輔助的相干拉曼散射技術的基本原理：（a）空氣激光和相干拉曼散射的產(chǎn)生機制示意圖；（b）展寬后的泵浦光光譜與原始光譜的對比；（c）空氣激光的頻譜和空間分布。

空氣激光輔助的相干拉曼光譜技術，結(jié)合了飛秒激光和空氣激光的雙重優(yōu)勢：飛秒激光光譜寬、脈寬短，可以同時激發(fā)很多氣體分子的相干振動；空氣激光光譜窄，用其作為探針，光譜分辨率高，可以有效區(qū)分不同分子的拉曼指紋。因此該技術能夠滿足多組分測量和化學特異性的需求。在該研究中，通過采用種子放大和偏振濾波技術，有效提升了相干拉曼信號的信噪比，顯著抑制了超連續(xù)白光產(chǎn)生引起的背景噪聲和信號抖動，提高了探測靈敏度和穩(wěn)定性。該研究團隊利用空氣激光輔助的相干拉曼光譜技術，測量了大氣中CO₂和SF₆的拉曼信號強度與相應氣體濃度的定量關系，CO₂和SF₆的最小探測濃度分別為0.1%和0.03%，最小信號抖動均達到2%的水平（圖2）。

圖2. 實驗測得的相干拉曼信號強度與氣體濃度的定量關系。插圖為最小濃度下測量的CO₂和SF₆的拉曼信號，CO₂（1388 cm^-1拉曼峰）和SF₆的最小探測濃度分別為0.1%和0.03%。

進一步，研究者在空氣、CO₂和SF₆的混合氣體中展示了該技術可以用于多組分同時測量，如圖3(a)-(c)所示，這得益于飛秒激光多組分激發(fā)以及空氣激光多組分分辨的能力。更加重要的是，利用空氣激光輔助的相干拉曼光譜技術，還可以有效區(qū)分¹²CO₂和¹³CO₂的同位素氣體，如圖3(d)所示。

圖3. 利用空氣激光輔助的相干拉曼光譜技術測得的（a）空氣中濃度為0.5%的CO₂，（b）濃度為0.1%的SF₆,（c）濃度為0.5%的CO₂與濃度為0.1%的SF₆混合物的拉曼信號；（d）空氣中濃度均為0.4%的¹²CO₂和¹³CO₂的拉曼信號。