Beim Luftlasern handelt es sich um kohärente Strahlung, die durch resonatorfreie Verstärkung durch den Hauptbestandteil Luft oder deren Derivate als Verstärkungsmedium erzeugt wird.Als Träger wird das „optische Femtosekunden-Filament“ verwendet, ein Niedertemperatur-Plasmakanal, der durch einen hochenergetischen Femtosekunden-Laserimpuls erzeugt wird, der über die natürliche Fähigkeit zur Fernerzeugung verfügt und die Vorteile einer hohen Helligkeit, einer schmalen Linienbreite und einer Transmission bietet bestimmte Richtung.Daher hat seine Anwendung im Bereich der atmosphärischen Fernerkundung seit der Entdeckung des Luftlasers große Aufmerksamkeit bei Forschern im In- und Ausland auf sich gezogen.Doch wie kann man diesen neuen „Luftlaser“ nutzen, um die Atmosphäre genau zu „diagnostizieren“?Ein Forscherteam am State Key Laboratory of Innse Field Laser Physics am Shanghai Institute of Optics and Mechanics der Chinesischen Akademie der Wissenschaften hat die Antwort gefunden.Das Team berichtete über eine luftlasergestützte kohärente Raman-Streuungstechnik und zeichnete erfolgreich den „molekularen Fingerabdruck“ der Treibhausgase CO2 und SF6 in der Atmosphäre auf, erreichte die Erkennung von Treibhausgasen in atmosphärischen Konzentrationen von nur 3 PPM und demonstrierte dies Fähigkeit der Technik zur gleichzeitigen Messung mehrerer Komponenten und zur CO2-Isotopenauflösung.
Die hochempfindliche Fernerkennung von Luftschadstoffen und biochemischen Stoffen ist für die Umweltwissenschaft und die nationale Verteidigungssicherheit von großer Bedeutung.Die rasante Entwicklung der ultrastarken und ultrakurzen Lasertechnologie bietet ein leistungsstarkes Werkzeug für die optische Fernerkundung.Einerseits können die hochenergetischen Femtosekundenlaserfilamente ohne Beugung frei über weite Strecken in der Atmosphäre übertragen werden.Andererseits stellen eine Reihe sekundärer Strahlungsquellen, die durch Femtosekunden-Laserfilaminierung induziert werden, wie superkontinuierliches weißes Licht, Luftlaser, molekulare Fluoreszenz usw., eine natürliche „Fernsonde“ für die atmosphärische Fernerkundung dar.Daher hat die auf ultraschnellen Lasern basierende optische Fernerkundungstechnologie in den letzten zwei Jahrzehnten große Aufmerksamkeit auf sich gezogen.In den letzten Jahren haben die Entdeckung und umfangreiche Forschung des Luftlasers der ultraschnellen optischen Fernerkundung neue Dynamik verliehen.Luftlaser, der die allgegenwärtige Atmosphäre als Verstärkungsmedium und den vom Femtosekundenlaser erzeugten Plasmakanal als Träger nutzt, hat die Vorteile einer hohen Intensität, eines schmalen Spektrums, einer guten räumlichen Richtwirkung und einer natürlichen Koexistenz mit dem Pumpstrahl, was ihn zu einer idealen „Sonde“ macht ” zur atmosphärischen Erkennung.Der Einsatz des „Luftlasers“ als neues Werkzeug zur atmosphärischen Detektion steht jedoch noch vor großen Herausforderungen in Bezug auf Prinzip, Methode, Empfindlichkeit und Stabilität.
Das Forschungsteam des State Key Laboratory of High Field Laser Physics, Shanghai Institute of Optics and Mechanics, Chinese Academy of Sciences widmet sich seit der Entstehung des „Luftlaser“-Phänomens der Erforschung der Hochfeldphysik und der Fernerkundungsanwendung von Luftlasern durch Hochfeldionisation wurde weltweit erstmals im Jahr 2011 berichtet [Phys.Rev.A 84, 051802 (2011)].Kürzlich entwickelte das Team eine hochempfindliche kohärente Raman-Spektroskopietechnik unter Verwendung eines Luftlasers, die die quantitative Erfassung atmosphärischer Treibhausgaskonzentrationen, die gleichzeitige Erfassung mehrerer Komponenten und die Identifizierung von CO2-Isotopen mit einer Erfassungsempfindlichkeit von bis zu 0,03 % und minimalem Signaljitter ermöglicht bis zu 2%.Die entsprechende Forschungsarbeit wurde in „Ultrafast Science on High Sensitivity Gas Detection with Air-Lasing-Assisted Coherent Raman Spectroscopy“ veröffentlicht.
Das Grundprinzip der luftlaserunterstützten kohärenten Raman-Spektroskopie ist in Abbildung 1 dargestellt. Die extreme nichtlineare Wechselwirkung zwischen Femtosekundenlaser und Luft regt einerseits die optische Verstärkung von Luftmolekülen an, realisiert die Keimverstärkung um mehr als das 1000-fache und Erzeugt einen Stickstoffionen-Luftlaser mit einer Wellenlänge von 428 nm und einer Linienbreite von 13 cm-1.Gleichzeitig sendet der Femtosekundenlaser nichtlinear in der Atmosphäre und erweitert die Spektrumsbandbreite auf 3800 cm-1, was mehr als eine Größenordnung breiter ist als das einfallende Spektrum und ausreicht, um kohärente Raman-Schwingungen der meisten Schadstoffmoleküle anzuregen und Treibhausgase in der Luft.Wenn der Luftlaser auf kohärent schwingende Moleküle trifft, wird effektiv kohärente Raman-Streuung erzeugt.Durch die Aufzeichnung der Frequenzverschiebung zwischen dem kohärenten Raman-Signal und dem Luftlaser, bekannt als „Raman-Fingerabdruck“, können die „Identitätsinformationen“ des Moleküls – seine chemische Zusammensetzung – erlernt werden.
Abbildung 1. Das Grundprinzip der Luftlaser-unterstützten kohärenten Raman-Streuung: (a) Schematische Darstellung des Erzeugungsmechanismus der Luftlaser- und kohärenten Raman-Streuung;(b) Vergleich zwischen dem erweiterten Pumplichtspektrum und dem ursprünglichen Spektrum;(c) Spektrale und räumliche Verteilung von Fluglasern.
Luftlaser-unterstützte kohärente Raman-Spektroskopie vereint die doppelten Vorteile von Femtosekundenlasern und Luftlasern: Femtosekundenlaser verfügen über ein breites Spektrum und eine kurze Pulsbreite, die gleichzeitig kohärente Schwingungen vieler Gasmoleküle anregen können.Das schmale Spektrum des Luftlasers kann als Sonde mit hoher spektraler Auflösung verwendet werden, die die Raman-Fingerabdrücke verschiedener Moleküle effektiv unterscheiden kann.Daher kann die Technologie die Anforderungen der Mehrkomponentenmessung und der chemischen Spezifität erfüllen.In dieser Studie wird das Signal-Rausch-Verhältnis kohärenter Raman-Signale durch den Einsatz von Seed-Amplifikations- und Polarisationsfiltertechnologie effektiv verbessert, und das Hintergrundrauschen und Signaljitter, die durch die Erzeugung von superkontinuierlichem Weißlicht verursacht werden, werden deutlich unterdrückt, wodurch die Erkennungsempfindlichkeit verbessert wird Stabilität.Das Forschungsteam nutzte luftlasergestützte kohärente Raman-Spektroskopie-Technologie, um die quantitative Beziehung zwischen der Raman-Signalintensität von CO2 und SF6 in der Atmosphäre und der entsprechenden Gaskonzentration zu messen.Die minimal erfassten Konzentrationen von CO2 und SF6 betrugen 0,1 % bzw. 0,03 %, und der minimale Signaljitter erreichte 2 % (Abbildung 2).
Abbildung 2. Quantitative Beziehung zwischen der experimentell gemessenen Intensität des kohärenten Raman-Signals und der Gaskonzentration.Die Abbildung zeigt die Raman-Signale von CO2 und SF6, gemessen bei minimalen Konzentrationen.Die minimalen nachgewiesenen Konzentrationen von CO2 (1388 cm-1 Raman-Peak) und SF6 betragen 0,1 % bzw. 0,03 %
Darüber hinaus kann die Technik für gleichzeitige Mehrkomponentenmessungen in einem Gemisch aus Luft, CO2 und SF6 verwendet werden, wie in Abbildung 3(a)-(c) dargestellt, und profitiert dabei von der Femtosekundenlaser-Mehrkomponentenanregung und der Fähigkeit der Luftlaser-Mehrkomponentenauflösung.Noch wichtiger ist, dass die luftlasergestützte kohärente Raman-Spektroskopie zur effektiven Unterscheidung zwischen 12CO2- und 13CO2-Isotopengasen eingesetzt werden kann, wie in Abbildung 3(d) dargestellt.
Abbildung 3. Raman-Signale von (a) CO2 bei einer Konzentration von 0,5 % in Luft, (b) SF6 bei einer Konzentration von 0,1 %, (c) CO2 bei einer Konzentration von 0,5 % und SF6 bei einer Konzentration von 0,1 %, gemessen durch luftlasergestützte kohärente Raman-Spektroskopie;(d) Raman-Signale von 12CO2 und 13CO2, beide bei einer Konzentration von 0,4 % in der Luft
Zusammenfassung und Ausblick
Die luftlasergestützte kohärente Raman-Spektroskopie, die die Vorteile von Femtosekundenlaser und Luftlaser vereint, kann nicht nur zur hochempfindlichen Detektion häufiger Treibhausgaskonzentrationen in der Luft eingesetzt werden, sondern verfügt auch über die Fähigkeit zur Mehrkomponentenmessung und Isotopenauflösung .Die Korrelationsmessung verschiedener Schadstoffe und Treibhausgase sowie der Nachweis von CO2-Isotopen sind von großer Bedeutung für die Verfolgung der Quelle der Luftverschmutzung, die Untersuchung des Kohlenstoffkreislaufprozesses und die Bestätigung der Quelle und Senke von Kohlenstoffemissionen und stellen wichtige Vorteile dieser Technologie dar gegenüber der herkömmlichen Fernerkundungstechnologie.Um jedoch eine hochpräzise Messung von Spurenschadstoffen in der Atmosphäre zu erreichen, ist es notwendig, die Nachweisempfindlichkeit auf den ppm- oder sogar ppb-Bereich zu erhöhen und den Nachweisabstand vom Labormaßstab auf den Kilometermaßstab zu erweitern.Es wird davon ausgegangen, dass durch die Innovation und Entwicklung der hochfrequenten, hochenergetischen Femtosekundenlasertechnologie und der hochempfindlichen Detektionstechnologie erwartet wird, dass diese Technologie den Detektionsabstand und die Empfindlichkeit erheblich verbessert, die praktischen Anwendungsanforderungen der atmosphärischen Detektion erfüllt und dem dient Nationale „Dual Carbon“-Strategie.
Der Autor stellte Shao vor
Zhihao Zhang (Erstautor) ist ein gemeinsam von der Shanghai University of Science and Technology und dem Shanghai Institute of Optics and Machinery der Chinesischen Akademie der Wissenschaften ausgebildeter Doktorand.Sein Forschungsinteresse gilt der Femtosekunden-Laserinteraktion mit Materie.Er hat 9 Artikel in Fachzeitschriften wie Ultrafast Science und Science Bulletin veröffentlicht.
Fangbo Zhang (Co-Erstautor) ist Doktorand am Shanghai Institute of Optics and Computer der Chinesischen Akademie der Wissenschaften.Seine Forschungsinteressen umfassen ultraschnelle Hochfeldoptik und nichtlineare Spektroskopie.Er hat drei wissenschaftliche Arbeiten in Opt.Lett., Phys. veröffentlicht.Rev.A und andere Zeitschriften als Erstautor und Co-Erstautor.Er erhielt die Auszeichnung „Outstanding Student Scholarship“ und „Merit Student“ des Shanghai Institute of Optics and Machinery.
Als erster/korrespondierender Autor veröffentlichte er 38 Artikel in Phys Rev. Lett., Science Bulletin usw. und seine Forschungsergebnisse wurden als „Important Achievements in Chinese Optics“, Rao Yutai Basic Optics Award und Titelartikel ausgezeichnet.Die Originalarbeit in Richtung Luftlaser wurde fast 200 Mal zitiert.Gefördert durch das „Excellent Youth“-Projekt des National Foundation Committee, wurde er zum „Shanghai Excellent Academic Leader“, zum „Shanghai Youth Top-notch Talent“ und zum „Shanghai Young Science and Technology Star“ gewählt.Mitglied des Redaktionsausschusses von Laser China und Mitglied des Redaktionsausschusses von Ultrafast Science Youth.
Cheng Ya (korrespondierender Autor) ist Forscher am Shanghai Institute of Optics and Machinery der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und Professor an der School of Physics and Electronic Science der East China Normal University.Er beschäftigt sich hauptsächlich mit der Erforschung ultrafeiner nichtlinearer Optik und der Laser-Mikro-Nano-Herstellung.Er hat mehr als 200 Artikel und mehr als 10.000 Zitate mit einem H-Faktor von mehr als 50 veröffentlicht. Er wurde mehr als 100 Mal von der National Science Foundation for Outstanding Young People gesponsert.Er war nacheinander leitender Wissenschaftler des National 973 Plan-Projekts und des wichtigsten Forschungs- und Entwicklungsplan-Projekts.Er hat eine Monographie auf Chinesisch und fünf Monographien auf Englisch veröffentlicht.Er ist Mitglied der Optical Society of America, Mitglied der British Physical Society und Mitglied der Chinese Optical Society.
Xu Zhi-zhan (korrespondierender Autor) ist Forscher am Shanghai Institute of Optics and Machinery der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, Akademiker der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und Mitglied der Akademie der Wissenschaften der Dritten Welt.Er ist einer der ersten führenden Köpfe auf dem Gebiet der Laserfusion mit Trägheitseinschluss in China und ein Pionier auf dem neuen Gebiet der superstarken und ultrakurzen Laserwissenschaft und der Starkfeldphysik in China.Er war Direktor des Shanghai Optical Machinery Institute und Vizepräsident der Chinese Optical Society.Er leitete lange Zeit die Laserfusionsforschung und leistete bahnbrechende und herausragende Beiträge.Es hat in wichtigen Pionierforschungen zur Wechselwirkung zwischen intensivem Laser und Materie systematische wissenschaftliche Entdeckungen gemacht.Zum ersten Mal auf der Welt wurden 8 Röntgenlaser mit neuer Wellenlänge durch Lithium- und Natrium-ähnliche Ionensysteme erhalten, und die kürzeste Wellenlänge hat 46,8 Ang erreicht.Es hat in China neue Bereiche der Super-Superkurzlaser-Wissenschaft und der Starkfeldphysik erschlossen und bahnbrechende Erfolge erzielt.Als erster Gewinner hat er 1 ersten Preis des National Science and Technology Progress Award, 2 zweite Preise des National Natural Science Award, 1 zweiten Preis des National Invention Award und 4 erste Preise der Chinese Academy of Sciences Natural Science gewonnen Award und Science and Technology Progress Award, zwei erste Preise des Shanghai Science and Technology Progress Award und des Natural Science Award usw. 1996 gewann er den Shanghai Science and Technology Merit Award.He Liang Ho Li Foundation Award für wissenschaftlichen und technologischen Fortschritt im Jahr 1998. Im Jahr 2006 wurde ihm auf der International Conference on Ultra Fast and Intense Laser Science die Goldmedaille für „Herausragender Beitrag zur Laserwissenschaft“ verliehen.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 09.03.2023