El láser de aire es la radiación coherente generada por amplificación sin cavidad a través del componente principal del aire o sus derivados como medio de ganancia.Utiliza el "filamento óptico de femtosegundo", un canal de plasma de baja temperatura generado por un pulso láser de femtosegundo de alta energía, como portador, que tiene la capacidad natural de generación remota y tiene las ventajas de un alto brillo, un ancho de línea estrecho y una transmisión en un dirección específica.Por lo tanto, desde el descubrimiento del láser de aire, su aplicación en el campo de la teledetección atmosférica ha atraído gran atención por parte de investigadores nacionales y extranjeros.Sin embargo, ¿cómo utilizar este nuevo “láser de aire” para “diagnosticar” con precisión la atmósfera?Un equipo de investigadores del Laboratorio Estatal Clave de Física Láser de Campo Innse del Instituto de Óptica y Mecánica de Shanghai de la Academia de Ciencias de China ha encontrado la respuesta.El equipo informó sobre una técnica de dispersión Raman coherente asistida por láser de aire y registró con éxito la "huella molecular" de los gases de efecto invernadero CO2 y SF6 en la atmósfera, logró la detección de gases de efecto invernadero en concentraciones atmosféricas tan bajas como 3 PPM y demostró la capacidad de la técnica para la medición simultánea de múltiples componentes y resolución de isótopos de CO2.
La detección remota altamente sensible de contaminantes del aire y agentes bioquímicos es muy importante para la ciencia ambiental y la seguridad de la defensa nacional.El rápido desarrollo de la tecnología láser ultrafuerte y ultracorta proporciona una poderosa herramienta para la teledetección óptica remota.Por un lado, los filamentos del láser de femtosegundos de alta energía pueden transmitirse libremente en la atmósfera a largas distancias sin difracción.Por otra parte, una serie de fuentes de radiación secundarias inducidas por la filaminación del láser de femtosegundo, como la luz blanca supercontinua, el láser de aire, la fluorescencia molecular, etc., proporcionan una “sonda” remota natural para la teledetección atmosférica.Por lo tanto, la tecnología óptica de teledetección basada en láser ultrarrápido ha atraído mucha atención en las últimas dos décadas.En los últimos años, el descubrimiento y la extensa investigación del láser de aire han inyectado nueva vitalidad a la teledetección óptica ultrarrápida.El láser de aire, que toma la atmósfera ubicua como medio de ganancia y el canal de plasma generado por el láser de femtosegundo como portador, tiene las ventajas de alta intensidad, espectro estrecho, buena directividad espacial y coexistencia natural con el haz de bombeo, lo que lo convierte en una "sonda" ideal. ”para detección atmosférica.Sin embargo, el uso del “láser de aire” como nueva herramienta para la detección atmosférica todavía enfrenta grandes desafíos en principio, método, sensibilidad y estabilidad.
El equipo de investigación del Laboratorio Estatal Clave de Física Láser de Alto Campo, Instituto de Óptica y Mecánica de Shanghai, Academia de Ciencias de China, ha estado comprometido con la investigación de la física de alto campo y la aplicación de sensores remotos del láser de aire desde que indujo el fenómeno del “láser de aire”. por ionización de alto campo se informó por primera vez en el mundo en 2011 [Phys.Rev.A 84, 051802 (2011)].Recientemente, el equipo desarrolló una técnica de espectroscopía Raman coherente de alta sensibilidad utilizando un láser de aire, que permite la detección cuantitativa de concentraciones atmosféricas de gases de efecto invernadero, la detección simultánea de múltiples componentes y la identificación de isótopos de CO2, con una sensibilidad de detección de hasta el 0,03% y una fluctuación de señal mínima. hasta 2%.La investigación relevante se publicó en Ultrafast Science on High Sensitivity Gas Detección con espectroscopía Raman coherente asistida por láser de aire.
El principio básico de la espectroscopia Raman coherente asistida por láser de aire se muestra en la Figura 1. La interacción no lineal extrema entre el láser de femtosegundo y el aire, por un lado, excita la ganancia óptica de las moléculas de aire, realiza la amplificación de la semilla de más de 1000 veces y Genera un láser de aire de iones de nitrógeno con una longitud de onda de 428 nm y un ancho de línea de 13 cm-1.Al mismo tiempo, el láser de femtosegundo transmite de forma no lineal en la atmósfera, extendiendo el ancho de banda del espectro a 3800 cm-1, que es más de un orden de magnitud más ancho que el espectro incidente y es suficiente para excitar una vibración Raman coherente de la mayoría de las moléculas contaminantes. y gases de efecto invernadero en el aire.Cuando el láser de aire encuentra moléculas que vibran de manera coherente, se genera efectivamente una dispersión Raman coherente.Al registrar el cambio de frecuencia entre la señal Raman coherente y el láser de aire, conocido como "huella digital Raman", se puede conocer la "información de identidad" de la molécula (su composición química).
Figura 1. El principio básico de la técnica de dispersión Raman coherente asistida por láser de aire: (a) Diagrama esquemático del mecanismo de generación de láser de aire y dispersión Raman coherente;(b) Comparación entre el espectro de luz de la bomba ampliado y el espectro original;(c) Distribución espectral y espacial de láseres aéreos.
La espectroscopia Raman coherente asistida por láser de aire combina las ventajas duales del láser de femtosegundo y del láser de aire: el láser de femtosegundo tiene un espectro amplio y un ancho de pulso corto, que puede excitar simultáneamente una vibración coherente de muchas moléculas de gas.El estrecho espectro del láser de aire se puede utilizar como sonda con alta resolución espectral, que puede distinguir eficazmente las huellas dactilares Raman de diferentes moléculas.Por lo tanto, la tecnología puede satisfacer las necesidades de medición de múltiples componentes y especificidad química.En este estudio, la relación señal-ruido de señales Raman coherentes se mejora efectivamente mediante el uso de tecnología de filtrado de polarización y amplificación de semillas, y el ruido de fondo y la fluctuación de la señal causados por la generación supercontinua de luz blanca se suprimen significativamente, mejorando así la sensibilidad de detección y estabilidad.El equipo de investigación utilizó tecnología de espectroscopia Raman coherente asistida por láser de aire para medir la relación cuantitativa entre la intensidad de la señal Raman de CO2 y SF6 en la atmósfera y la concentración de gas correspondiente.Las concentraciones mínimas detectadas de CO2 y SF6 fueron 0,1% y 0,03%, respectivamente, y la fluctuación mínima de la señal alcanzó el 2% (Figura 2).
Figura 2. Relación cuantitativa entre la intensidad de la señal Raman coherente medida por el experimento y la concentración de gas.La ilustración muestra las señales Raman de CO2 y SF6 medidas en concentraciones mínimas.Las concentraciones mínimas detectadas de CO2 (pico Raman de 1388 cm-1) y SF6 son 0,1% y 0,03%, respectivamente.
Además, la técnica se puede utilizar para mediciones simultáneas de componentes múltiples en una mezcla de aire, CO2 y SF6, como se muestra en la Figura 3(a)-(c), beneficiándose de la excitación multicomponente del láser de femtosegundo y la capacidad de resolución multicomponente del láser de aire.Más importante aún, la espectroscopía Raman coherente asistida por láser de aire se puede utilizar para distinguir eficazmente entre gases isotópicos 12CO2 y 13CO2, como se muestra en la Figura 3(d).
Figura 3. Señales Raman de (a) CO2 a una concentración del 0,5% en el aire, (b) SF6 a una concentración del 0,1%, (c) CO2 a una concentración del 0,5% y SF6 a una concentración del 0,1%, medidas mediante espectroscopia Raman coherente asistida por láser de aire;(d) Señales Raman de 12CO2 y 13CO2, ambas con una concentración del 0,4% en el aire.
Resumen y perspectiva
La espectroscopía Raman coherente asistida por láser de aire, que combina las ventajas del láser de femtosegundo y el láser de aire, no solo se puede utilizar para la detección altamente sensible de concentraciones comunes de gases de efecto invernadero en el aire, sino que también tiene la capacidad de medición de múltiples componentes y resolución de isótopos. .La medición correlativa de diversos contaminantes y gases de efecto invernadero y la detección de isótopos de CO2 son de gran importancia para rastrear la fuente de la contaminación atmosférica, estudiar el proceso del ciclo del carbono y confirmar la fuente y el sumidero de las emisiones de carbono, y también son ventajas importantes de esta tecnología. sobre la tecnología tradicional de teledetección.Sin embargo, para lograr una medición de alta precisión de trazas de contaminantes en la atmósfera, es necesario aumentar la sensibilidad de detección al nivel de ppm o incluso ppb, y ampliar la distancia de detección desde la escala de laboratorio a la escala de kilómetros.Se cree que a través de la innovación y el desarrollo de la tecnología láser de femtosegundo de alta frecuencia y alta energía y la tecnología de detección de alta sensibilidad, se espera que esta tecnología mejore significativamente en la distancia de detección y la sensibilidad, cumpla con los requisitos de aplicación práctica de la detección atmosférica y sirva a la estrategia nacional de “carbono dual”.
El autor presentó a Shao.
Zhihao Zhang (primer autor) es un candidato a doctorado formado conjuntamente por la Universidad de Ciencia y Tecnología de Shanghai y el Instituto de Óptica y Maquinaria de Shanghai de la Academia de Ciencias de China.Sus intereses de investigación son la interacción del láser de femtosegundo con la materia.Ha publicado 9 artículos en revistas como Ultrafast Science y Science Bulletin.
Fangbo Zhang (coprimer autor) es candidato a doctorado en el Instituto de Óptica e Informática de Shanghai de la Academia de Ciencias de China.Sus intereses de investigación incluyen la óptica ultrarrápida de alto campo y la espectroscopia no lineal.Ha publicado 3 artículos académicos en Opt.Lett., Phys.Rev.A y otras revistas como primer autor y co-primer autor.Recibió la beca para estudiantes destacados y el honor de estudiante al mérito del Instituto de Óptica y Maquinaria de Shanghai.
Como primer autor/autor correspondiente, publicó 38 artículos en Phys Rev. Lett., Science Bulletin, etc., y los resultados de su investigación fueron seleccionados como "Logros importantes en óptica china", Premio de Óptica Básica Rao Yutai y artículos de portada.El trabajo original en la dirección del láser de aire ha sido citado casi 200 veces.Financiado por el proyecto “Juventud Excelente” del Comité de la Fundación Nacional, ha sido seleccionado como Líder Académico Excelente de Shanghai, Talento Juvenil de primer nivel de Shanghai y Estrella Joven de Ciencia y Tecnología de Shanghai.Miembro del consejo editorial de Laser China y miembro del consejo editorial juvenil de Ultrafast Science.
Cheng Ya (autor correspondiente) es investigador del Instituto de Óptica y Maquinaria de Shanghai de la Academia de Ciencias de China y profesor de la Facultad de Física y Ciencias Electrónicas de la Universidad Normal del Este de China.Se dedica principalmente a la investigación de óptica no lineal ultrafina y fabricación de micronano láser.Ha publicado más de 200 artículos y más de 10.000 citas, con un factor H superior a 50. Ha sido patrocinado por la Fundación Nacional de Ciencias para Jóvenes Destacados en más de 100 ocasiones.Se ha desempeñado sucesivamente como científico jefe del proyecto del Plan Nacional 973 y del proyecto clave del Plan de investigación y desarrollo.Ha publicado 1 monografía en chino y 5 monografías en inglés.Es miembro de la Sociedad Óptica de América, miembro de la Sociedad Británica de Física y miembro de la Sociedad Óptica China.
Xu Zhi-zhan (autor correspondiente) es investigador del Instituto de Óptica y Maquinaria de Shanghai, Academia de Ciencias de China, académico de la Academia de Ciencias de China y miembro de la Academia de Ciencias del Tercer Mundo.Es uno de los primeros líderes en el campo de la fusión láser por confinamiento inercial en China y un pionero en el nuevo campo de la ciencia del láser súper fuerte y ultracorto y la física de campo fuerte en China.Se desempeñó como director del Instituto de Maquinaria Óptica de Shanghai y vicepresidente de la Sociedad Óptica China.Presidió la investigación sobre fusión láser durante mucho tiempo e hizo contribuciones pioneras y destacadas.Ha realizado descubrimientos científicos sistemáticos en importantes investigaciones de vanguardia sobre la interacción entre el láser intenso y la materia.Por primera vez en el mundo, se han obtenido láseres de rayos X de ocho nuevas longitudes de onda mediante esquemas de iones similares al litio y al sodio, y la longitud de onda más corta alcanzó los 46,8 ang.Ha abierto nuevos campos de la ciencia del láser súper súper corto y la física de campo fuerte en China y ha logrado logros revolucionarios.Como primer ganador, ha ganado 1 primer premio del Premio Nacional al Progreso de la Ciencia y la Tecnología, 2 segundos premios del Premio Nacional de Ciencias Naturales, 1 segundo premio del Premio Nacional de Invención, 4 primeros premios de la Academia China de Ciencias Naturales Premio y Premio al Progreso en Ciencia y Tecnología, 2 primeros premios del Premio al Progreso en Ciencia y Tecnología de Shanghai y el Premio de Ciencias Naturales, etc. En 1996, ganó el Premio al Mérito en Ciencia y Tecnología de Shanghai.Premio de la Fundación He Liang Ho Li al Progreso Científico y Tecnológico en 1998. En 2006, recibió la Medalla de Oro por su "Contribución Destacada a la ciencia del láser" en la Conferencia Internacional sobre Ciencia del Láser Ultra Rápido e Intenso.
Hora de publicación: 09-mar-2023