الليزر الهوائي: "مسبار عن بعد" للكشف عن غازات الدفيئة والنظائر

ليزر الهواء هو الإشعاع المتماسك الناتج عن التضخيم غير التجويف من خلال المكون الرئيسي للهواء أو مشتقاته كوسط كسب.وهي تستخدم "الخيوط الضوئية بالفيمتو ثانية"، وهي قناة بلازما منخفضة الحرارة يتم توليدها بواسطة نبضة ليزر الفيمتو ثانية عالية الطاقة، كحامل، والتي تتمتع بقدرة التوليد الطبيعية عن بعد، وتتمتع بمزايا السطوع العالي وعرض الخط الضيق والنقل في نطاق اتجاه محدد.لذلك، منذ اكتشاف الليزر الجوي، اجتذب تطبيقه في مجال الاستشعار عن بعد للغلاف الجوي اهتماما كبيرا من الباحثين في الداخل والخارج.لكن كيف يمكن استخدام هذا "الليزر الهوائي" الجديد "لتشخيص" الغلاف الجوي بدقة؟توصل فريق من الباحثين في مختبر State Key لفيزياء الليزر الميدانية في معهد شنغهاي للبصريات والميكانيكا، التابع للأكاديمية الصينية للعلوم، إلى الإجابة.أبلغ الفريق عن تقنية نثر رامان المتماسكة بمساعدة الليزر في الهواء ونجح في تسجيل "البصمة الجزيئية" لغازات الدفيئة ثاني أكسيد الكربون وسادس فلوريد الكبريت في الغلاف الجوي، وحقق اكتشاف غازات الدفيئة بتركيزات منخفضة في الغلاف الجوي تصل إلى 3 جزء في المليون، وأظهر الفريق قدرة تقنية القياس المتزامن لمكونات متعددة ودقة نظائر ثاني أكسيد الكربون.

يعد الكشف عن بعد شديد الحساسية لملوثات الهواء والعوامل الكيميائية الحيوية أمرًا مهمًا جدًا لعلوم البيئة وأمن الدفاع الوطني.يوفر التطور السريع لتقنية الليزر فائقة القوة والقصيرة جدًا أداة قوية للاستشعار البصري عن بعد.فمن ناحية، يمكن لخيوط ليزر الفيمتو ثانية عالية الطاقة أن تنتقل بحرية في الغلاف الجوي لمسافات طويلة دون حيود.من ناحية أخرى، فإن سلسلة من مصادر الإشعاع الثانوية الناجمة عن خيوط ليزر الفيمتو ثانية، مثل الضوء الأبيض فائق الاستمرار، والليزر الهوائي، والفلورة الجزيئية، وما إلى ذلك، توفر "مسبارًا" طبيعيًا عن بعد للاستشعار عن بعد في الغلاف الجوي.ولذلك، فإن تكنولوجيا الاستشعار عن بعد البصرية المعتمدة على الليزر فائق السرعة قد اجتذبت الكثير من الاهتمام في العقدين الماضيين.في السنوات الأخيرة، أدى الاكتشاف والأبحاث المكثفة لليزر الهوائي إلى ضخ حيوية جديدة في الاستشعار البصري عن بعد فائق السرعة.يتمتع ليزر الهواء، الذي يتخذ من الغلاف الجوي في كل مكان كوسيلة كسب وقناة البلازما المتولدة بواسطة ليزر الفيمتو ثانية كحامل، بمزايا الكثافة العالية والطيف الضيق والاتجاه المكاني الجيد والتعايش الطبيعي مع شعاع المضخة، مما يجعله "مسبارًا" مثاليًا. "للكشف الجوي.إلا أن استخدام “الليزر الهوائي” كأداة جديدة للكشف الجوي لا يزال يواجه تحديات كبيرة من حيث المبدأ والطريقة والحساسية والاستقرار.

التزم فريق البحث التابع لمختبر الدولة الرئيسي لفيزياء الليزر عالية المجال، معهد شنغهاي للبصريات والميكانيكا، الأكاديمية الصينية للعلوم، بأبحاث فيزياء المجال العالي وتطبيق الاستشعار عن بعد لليزر الهوائي منذ ظهور ظاهرة "ليزر الهواء" بواسطة التأين عالي المجال تم الإبلاغ عنه لأول مرة في العالم في عام 2011 [Phys.القس أ 84، 051802 (2011)].مؤخرًا، قام الفريق بتطوير تقنية مطيافية رامان شديدة الحساسية والمتماسكة باستخدام الليزر الهوائي، والتي تتيح الكشف الكمي لتركيزات غازات الدفيئة في الغلاف الجوي، والكشف المتزامن لمكونات متعددة، وتحديد نظائر ثاني أكسيد الكربون، مع حساسية كشف تصل إلى 0.03% والحد الأدنى من ارتعاش الإشارة. ما يصل الى 2٪.نُشر البحث ذو الصلة في مجلة Ultrafast Science حول الكشف عن الغازات عالية الحساسية باستخدام مطياف رامان المتماسك بمساعدة الليزر الهوائي.

يظهر الشكل 1 المبدأ الأساسي لمطيافية رامان المتماسكة بمساعدة ليزر الهواء. إن التفاعل غير الخطي الشديد بين ليزر الفيمتو ثانية والهواء، من ناحية، يثير الكسب البصري لجزيئات الهواء، ويحقق تضخيم البذور لأكثر من 1000 مرة، و يولد ليزر هوائي أيون النيتروجين بطول موجي 428 نانومتر وعرض خط 13 سم-1.وفي الوقت نفسه، يرسل ليزر الفيمتو ثانية بشكل غير خطي في الغلاف الجوي، مما يوسع عرض النطاق الترددي للطيف إلى 3800 سم-1، وهو أكبر بأكثر من مرتبة واحدة من الطيف الساقط، ويكفي لإثارة اهتزاز رامان المتماسك لمعظم جزيئات الملوثات. والغازات الدفيئة في الهواء.عندما يواجه ليزر الهواء جزيئات تهتز بشكل متماسك، يتم إنشاء تشتت رامان المتماسك بشكل فعال.من خلال تسجيل التحول الترددي بين إشارة رامان المتماسكة والليزر الهوائي، المعروف باسم "بصمة رامان"، يمكن تعلم "معلومات هوية" الجزيء - تركيبه الكيميائي.

الشكل 1. المبدأ الأساسي لتقنية نثر رامان المتماسك بمساعدة الليزر الهوائي: (أ) رسم تخطيطي لآلية توليد ليزر الهواء ونثر رامان المتماسك؛(ب) مقارنة بين طيف ضوء المضخة الموسع والطيف الأصلي؛(ج) التوزيع الطيفي والمكاني لأشعة الليزر المحمولة جوا.

يجمع مطياف رامان المتماسك بمساعدة الليزر الهوائي بين المزايا المزدوجة للليزر الفيمتو ثانية والليزر الهوائي: ليزر الفيمتو ثانية لديه طيف واسع وعرض نبض قصير، والذي يمكن أن يثير في نفس الوقت اهتزازًا متماسكًا للعديد من جزيئات الغاز.يمكن استخدام الطيف الضيق من ليزر الهواء كمسبار ذو دقة طيفية عالية، والذي يمكنه التمييز بشكل فعال بين بصمات رامان للجزيئات المختلفة.ولذلك، يمكن للتكنولوجيا تلبية احتياجات القياس متعدد المكونات والخصوصية الكيميائية.في هذه الدراسة، تم تحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء لإشارات رامان المتماسكة بشكل فعال باستخدام تقنية تضخيم البذور وتصفية الاستقطاب، ويتم قمع ضوضاء الخلفية وارتعاش الإشارة الناجم عن توليد الضوء الأبيض المستمر بشكل كبير، وبالتالي تحسين حساسية الكشف و استقرار.استخدم فريق البحث تقنية مطياف رامان المتماسك بمساعدة الليزر الهوائي لقياس العلاقة الكمية بين شدة إشارة رامان لثاني أكسيد الكربون وسادس SF6 في الغلاف الجوي وتركيز الغاز المقابل.وكان الحد الأدنى من تركيزات ثاني أكسيد الكربون وSF6 المكتشفة 0.1% و0.03% على التوالي، ووصل الحد الأدنى من غضب الإشارة إلى 2% (الشكل 2).

الشكل 2. العلاقة الكمية بين كثافة إشارة رامان متماسكة تقاس بالتجربة وتركيز الغاز.يوضح الرسم التوضيحي إشارات رامان الخاصة بثاني أكسيد الكربون وسادس فلوريد الكبريت المقاسة عند الحد الأدنى من التركيزات.الحد الأدنى للتركيزات المكتشفة لثاني أكسيد الكربون (ذروة رامان 1388 سم 1) و6 SF هي 0.1% و0.03% على التوالي.

علاوة على ذلك، يمكن استخدام هذه التقنية لإجراء قياسات متعددة المكونات في وقت واحد في خليط من الهواء وثاني أكسيد الكربون وSF6، كما هو مبين في الشكل 3 (أ) - (ج)، مع الاستفادة من الإثارة متعددة المكونات بالليزر الفيمتو ثانية وقدرة تحليل المكونات المتعددة بالليزر الهوائي.والأهم من ذلك، يمكن استخدام مطيافية رامان المتماسكة بمساعدة الليزر في التمييز الفعال بين الغازات النظائرية 12CO2 و13CO2، كما هو مبين في الشكل 3(د).

الشكل 3. إشارات رامان (أ) ثاني أكسيد الكربون بتركيز 0.5% في الهواء، (ب) SF6 بتركيز 0.1%، (ج) ثاني أكسيد الكربون بتركيز 0.5% وSF6 بتركيز 0.1%، مقاسة عن طريق التحليل الطيفي رامان المتماسك بمساعدة الليزر؛(د) إشارات رامان لـ 12CO2 و13CO2، وكلاهما بتركيز 0.4% في الهواء

ملخص واحتمال

لا يمكن استخدام مطيافية رامان المتماسكة بمساعدة الليزر الهوائي، والتي تجمع بين مزايا ليزر الفيمتو ثانية والليزر الهوائي، في الكشف عالي الحساسية عن تركيزات غازات الدفيئة الشائعة في الهواء فحسب، بل تتمتع أيضًا بقدرة القياس متعدد المكونات واستبانة النظائر. .إن قياس الارتباط بين مختلف الملوثات والغازات الدفيئة والكشف عن نظائر ثاني أكسيد الكربون له أهمية كبيرة في تتبع مصدر تلوث الغلاف الجوي ودراسة عملية دورة الكربون والتأكد من مصدر ومصرف انبعاثات الكربون، كما تعد من المزايا المهمة لهذه التقنية. على تكنولوجيا الاستشعار عن بعد التقليدية.ومع ذلك، لتحقيق قياس عالي الدقة للملوثات النزرة في الغلاف الجوي، فمن الضروري زيادة حساسية الكشف لمستوى جزء في المليون أو حتى جزء في المليون، وتوسيع مسافة الكشف من مقياس المختبر إلى مقياس الكيلومتر.من المعتقد أنه من خلال ابتكار وتطوير تقنية ليزر الفيمتو ثانية عالية التردد والطاقة العالية وتكنولوجيا الكشف عن الحساسية العالية، من المتوقع أن يتم تحسين هذه التكنولوجيا بشكل كبير في مسافة الكشف والحساسية، وتلبية متطلبات التطبيق العملي للكشف عن الغلاف الجوي، وتخدم الاستراتيجية الوطنية للكربون المزدوج

قدم المؤلف شاو

Zhihao Zhang (المؤلف الأول) هو مرشح للدكتوراه تم تدريبه بشكل مشترك من قبل جامعة شنغهاي للعلوم والتكنولوجيا ومعهد شنغهاي للبصريات والآلات، بالأكاديمية الصينية للعلوم.اهتماماته البحثية هي تفاعل ليزر الفيمتو ثانية مع المادة.وقد نشر 9 أوراق بحثية في مجلات مثل Ultrafast Science وScience Bulletin.

فانغبو تشانغ (مؤلف مشارك أول) هو مرشح لدرجة الدكتوراه في معهد شنغهاي للبصريات والكمبيوتر، بالأكاديمية الصينية للعلوم.تشمل اهتماماته البحثية البصريات فائقة السرعة عالية المجال والتحليل الطيفي غير الخطي.وقد نشر 3 أوراق أكاديمية في Opt.Lett.، Phys.Rev.A والمجلات الأخرى بصفته المؤلف الأول والمؤلف الأول المشارك.حصل على منحة الطالب المتميز وشرف الطالب المتميز من معهد شنغهاي للبصريات والآلات.

بصفته المؤلف الأول/المراسل، نشر 38 ورقة بحثية في Phys Rev. Lett.، Science Bulletin، وما إلى ذلك، وتم اختيار نتائج بحثه كـ "إنجازات مهمة في البصريات الصينية"، وجائزة Rao Yutai Basic Optics ومقالات الغلاف.تم الاستشهاد بالعمل الأصلي في اتجاه الليزر الهوائي ما يقرب من 200 مرة.بتمويل من مشروع "الشباب المتميز" التابع للجنة التأسيسية الوطنية، تم اختياره كقائد أكاديمي ممتاز في شنغهاي، وموهبة شباب شنغهاي من الدرجة الأولى، ونجم شنغهاي الشاب للعلوم والتكنولوجيا.عضو هيئة تحرير مجلة Laser China وعضو هيئة تحرير مجلة Ultrafast Science Youth.

تشينغ يا (المؤلف المقابل) هو باحث في معهد شنغهاي للبصريات والآلات، بالأكاديمية الصينية للعلوم، وأستاذ في كلية الفيزياء والعلوم الإلكترونية، بجامعة شرق الصين العادية.وهو يعمل بشكل رئيسي في أبحاث البصريات غير الخطية متناهية الصغر وتصنيع النانو بالليزر.وقد نشر أكثر من 200 بحث وأكثر من 10000 استشهاد، مع عامل H أكبر من 50. وقد تم رعايته من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم للشباب المتفوقين لأكثر من 100 مرة.وقد شغل على التوالي منصب كبير العلماء في مشروع الخطة الوطنية 973 ومشروع خطة البحث والتطوير الرئيسية.وقد نشر دراسة واحدة باللغة الصينية و5 دراسات باللغة الإنجليزية.وهو عضو في الجمعية البصرية الأمريكية، وعضو في الجمعية الفيزيائية البريطانية، وعضو في الجمعية البصرية الصينية.

شو تشي-زان (المؤلف المقابل) هو باحث في معهد شنغهاي للبصريات والآلات، بالأكاديمية الصينية للعلوم، وأكاديمي بالأكاديمية الصينية للعلوم، وعضو في أكاديمية العالم الثالث للعلوم.وهو أحد القادة الأوائل في مجال دمج الليزر بالقصور الذاتي في الصين، ورائد في المجال الجديد لعلوم الليزر فائقة القوة والقصيرة للغاية وفيزياء المجال القوي في الصين.شغل منصب مدير معهد شنغهاي للآلات البصرية ونائب رئيس الجمعية البصرية الصينية.لقد ترأس أبحاث دمج الليزر لفترة طويلة وقدم مساهمات رائدة ومتميزة.لقد حققت اكتشافات علمية منهجية في أبحاث حدودية مهمة حول التفاعل بين الليزر المكثف والمادة.لأول مرة في العالم، تم الحصول على 8 أشعة ليزر ذات أطوال موجية جديدة بواسطة مخططات أيونات الليثيوم والصوديوم، وقد وصل أقصر طول موجي إلى 46.8 أنج.لقد فتحت مجالات جديدة لعلوم الليزر فائقة القصر والفيزياء الميدانية القوية في الصين وحققت إنجازات مذهلة.باعتباره الفائز الأول، فقد فاز بالجائزة الأولى للجائزة الوطنية للتقدم العلمي والتكنولوجي، والجائزتين الثانيتين للجائزة الوطنية للعلوم الطبيعية، والجائزة الثانية للجائزة الوطنية للاختراع، و4 جوائز أولى للأكاديمية الصينية للعلوم العلوم الطبيعية. الجائزة وجائزة التقدم العلمي والتكنولوجي، والجائزتان الأوليان لجائزة شنغهاي للتقدم العلمي والتكنولوجي وجائزة العلوم الطبيعية، وما إلى ذلك. وفي عام 1996، فاز بجائزة شنغهاي للعلوم والتكنولوجيا للاستحقاق.جائزة مؤسسة He Liang Ho Li للتقدم العلمي والتكنولوجي في عام 1998. وفي عام 2006، حصل على الميدالية الذهبية "للمساهمة المتميزة في علوم الليزر" في المؤتمر الدولي لعلوم الليزر فائقة السرعة والمكثفة.