來自中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所的最新研究，探測出了一種新的大氣探測新工具。

超快激光技術(shù)以其高峰值功率、短脈沖持續(xù)時(shí)間和寬光譜覆蓋的獨(dú)特優(yōu)勢，為大氣污染物和有害生物化學(xué)劑的遙感提供了新的策略。特別是，空氣激光由于能夠在戶外產(chǎn)生無腔光放大，在大氣遙感中顯示出良好的前景。它適合作為大氣診斷的探針。

實(shí)驗(yàn)裝置。M1，M2：反射鏡；L1-L5：透鏡；SP：藍(lán)寶石板；BBO：β-硼酸鋇；DM1-DM3：二向色鏡；GT：格蘭-泰勒棱鏡；F1：中心波長為428的窄帶濾波器?nm和1的帶寬?納米；F2：可變?yōu)V波器的組合，用于記錄不同波長的拉曼信號(hào)。泵浦、種子和空氣激光的偏振狀態(tài)和時(shí)間序列示意圖如插圖所示。來源：Ultrafast Science (2022). DOI: 10.34133/2022/9761458

最近，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所（SIOM）的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)提出了一種空氣激光輔助相干拉曼光譜，該光譜實(shí)現(xiàn)了兩種溫室氣體的定量測量和同時(shí)檢測，以及CO2同位素的識(shí)別。檢測靈敏度達(dá)到0.03%，最小信號(hào)波動(dòng)約為2%。

這項(xiàng)研究發(fā)表在4月8日的《超快科學(xué)》雜志上。

飛秒激光與空氣分子的極非線性相互作用激發(fā)了分子氮離子的光學(xué)增益，并實(shí)現(xiàn)了1000倍以上的種子放大，從而產(chǎn)生線寬為13 cm-1的428 nm空氣激光。

基于空氣激光的拉曼光譜溫室氣體檢測的基本原理。

同時(shí)，經(jīng)過非線性傳輸后，泵浦激光的光譜寬度達(dá)到3800 cm-1，比入射激光的光譜寬一個(gè)數(shù)量級以上。

因此，它能夠激發(fā)大多數(shù)污染物和溫室氣體的分子相干振動(dòng)。當(dāng)空氣激光遇到相干振動(dòng)的分子時(shí)，它將有效地產(chǎn)生相干拉曼散射。通過記錄拉曼信號(hào)和空氣激光的頻率差，即拉曼指紋，可以確定分子身份信息。

典型拉曼光譜。

空氣激光輔助相干拉曼光譜結(jié)合了飛秒激光和空氣激光的優(yōu)點(diǎn)。飛秒激光具有較寬的光譜覆蓋范圍和較短的脈沖持續(xù)時(shí)間，可以同時(shí)激發(fā)多個(gè)分子的相干振動(dòng)?？諝饧す饩哂休^窄的光譜寬度，能夠區(qū)分不同分子的拉曼指紋。因此，該技術(shù)可以滿足多組分測量和化學(xué)特異性的需要。

此外，研究人員證明，該技術(shù)可用于多組分同時(shí)測量和區(qū)分12CO2和13CO2。同時(shí)測量各種污染物和溫室氣體以及檢測CO2同位素對于追蹤空氣污染源和研究碳循環(huán)具有重要意義。

然而，對于痕量氣體遠(yuǎn)程檢測的實(shí)際應(yīng)用，有必要將檢測靈敏度提高到ppm甚至ppb水平，并將檢測距離從實(shí)驗(yàn)室尺度擴(kuò)展到公里尺度。

拉曼信號(hào)的強(qiáng)度是氣體壓力的函數(shù)。

來源：High-Sensitivity Gas Detection with Air-Lasing-Assisted Coherent Raman Spectroscopy, Ultrafast Science (2022). DOI: 10.34133/2022/9761458