l'air laser est le rayonnement cohérent généré par une amplification sans cavité à travers le composant principal de l'air ou ses dérivés comme milieu de gain.Il utilise le « filament optique femtoseconde », un canal plasma à basse température généré par une impulsion laser femtoseconde à haute énergie, comme support, qui a la capacité naturelle de génération à distance et présente les avantages d'une luminosité élevée, d'une largeur de raie étroite et d'une transmission dans un direction spécifique.Par conséquent, depuis la découverte du laser aérien, son application dans le domaine de la télédétection atmosphérique a attiré une grande attention de la part des chercheurs nationaux et étrangers.Mais comment utiliser ce nouveau « laser aérien » pour « diagnostiquer » avec précision l’atmosphère ?Une équipe de chercheurs du State Key Laboratory of Innse Field Laser Physics de l’Institut d’optique et de mécanique de Shanghai de l’Académie chinoise des sciences a trouvé la réponse.L’équipe a présenté une technique de diffusion Raman cohérente assistée par laser dans l’air et a enregistré avec succès « l’empreinte moléculaire » des gaz à effet de serre CO2 et SF6 dans l’atmosphère, a réussi à détecter les gaz à effet de serre dans des concentrations atmosphériques aussi basses que 3 PPM et a démontré l’effet de serre. capacité de la technique à mesurer simultanément plusieurs composants et la résolution isotopique du CO2.
La détection à distance très sensible des polluants atmosphériques et des agents biochimiques est très importante pour la science de l'environnement et la sécurité de la défense nationale.Le développement rapide de la technologie laser ultra-puissante et ultra-courte constitue un outil puissant pour la télédétection optique à distance.D’une part, les filaments laser femtoseconde à haute énergie peuvent transmettre librement dans l’atmosphère sur de longues distances sans diffraction.D’autre part, une série de sources de rayonnement secondaires induites par filamination laser femtoseconde, telles que la lumière blanche supercontinue, le laser à air, la fluorescence moléculaire, etc., fournissent une « sonde » naturelle à distance pour la télédétection atmosphérique.C’est pourquoi la technologie de télédétection optique basée sur un laser ultrarapide a attiré beaucoup d’attention au cours des deux dernières décennies.Ces dernières années, la découverte et les recherches approfondies sur le laser aérien ont insufflé une nouvelle vitalité à la télédétection optique ultrarapide.Le laser à air, qui prend l'atmosphère omniprésente comme milieu de gain et le canal plasma généré par le laser femtoseconde comme support, présente les avantages d'une intensité élevée, d'un spectre étroit, d'une bonne directivité spatiale et d'une coexistence naturelle avec le faisceau de pompe, ce qui en fait une « sonde » idéale. » pour la détection atmosphérique.Cependant, l’utilisation du « laser aérien » comme nouvel outil de détection atmosphérique se heurte encore à de grands défis en termes de principe, de méthode, de sensibilité et de stabilité.
L'équipe de recherche du Laboratoire clé d'État de physique des lasers à haut champ de l'Institut d'optique et de mécanique de Shanghai de l'Académie chinoise des sciences s'est engagée dans la recherche sur la physique des champs élevés et l'application du laser à air par télédétection depuis que le phénomène du « laser à air » a induit par ionisation à haut champ a été signalé pour la première fois dans le monde en 2011 [Phys.Rév.A 84, 051802 (2011)].Récemment, l'équipe a développé une technique de spectroscopie Raman cohérente très sensible utilisant un laser à air, qui permet une détection quantitative des concentrations atmosphériques de gaz à effet de serre, la détection simultanée de plusieurs composants et l'identification des isotopes du CO2, avec une sensibilité de détection allant jusqu'à 0,03 % et une gigue de signal minimale. jusqu'à 2%.La recherche pertinente a été publiée dans Ultrafast Science sur la détection de gaz à haute sensibilité avec la spectroscopie Raman cohérente assistée par laser à air.
Le principe de base de la spectroscopie Raman cohérente assistée par laser à air est illustré à la figure 1. L'interaction non linéaire extrême entre le laser femtoseconde et l'air, d'une part, excite le gain optique des molécules d'air, réalise l'amplification des graines de plus de 1 000 fois et génère un laser à air à ions azote avec une longueur d'onde de 428 nm et une largeur de raie de 13 cm-1.Dans le même temps, le laser femtoseconde transmet de manière non linéaire dans l'atmosphère, étendant la bande passante du spectre à 3 800 cm-1, ce qui est plus d'un ordre de grandeur plus large que le spectre incident, et est suffisant pour exciter une vibration Raman cohérente de la plupart des molécules polluantes. et les gaz à effet de serre dans l'air.Lorsque le laser à air rencontre des molécules vibrant de manière cohérente, une diffusion Raman cohérente est efficacement générée.En enregistrant le décalage de fréquence entre le signal Raman cohérent et le laser à air, connu sous le nom d'« empreinte Raman », les « informations d'identité » de la molécule – sa composition chimique – peuvent être apprises.
Figure 1. Le principe de base de la technique de diffusion Raman cohérente assistée par laser aérien : (a) Schéma schématique du mécanisme de génération du laser aérien et de la diffusion Raman cohérente ;(b) Comparaison entre le spectre lumineux de pompe élargi et le spectre d'origine ;(c) Distribution spectrale et spatiale des lasers aéroportés.
La spectroscopie Raman cohérente assistée par laser à air combine les doubles avantages du laser femtoseconde et du laser à air : le laser femtoseconde a un large spectre et une courte largeur d'impulsion, qui peuvent simultanément exciter une vibration cohérente de nombreuses molécules de gaz.Le spectre étroit du laser à air peut être utilisé comme sonde à haute résolution spectrale, ce qui permet de distinguer efficacement les empreintes Raman de différentes molécules.Par conséquent, la technologie peut répondre aux besoins de mesure multi-composants et de spécificité chimique.Dans cette étude, le rapport signal/bruit des signaux Raman cohérents est efficacement amélioré grâce à l'utilisation de la technologie d'amplification des graines et de filtrage de polarisation, et le bruit de fond et la gigue du signal provoqués par la génération de lumière blanche supercontinue sont considérablement supprimés, améliorant ainsi la sensibilité de détection et la stabilité.L’équipe de recherche a utilisé la technologie de spectroscopie Raman cohérente assistée par laser aérien pour mesurer la relation quantitative entre l’intensité du signal Raman du CO2 et du SF6 dans l’atmosphère et la concentration de gaz correspondante.Les concentrations minimales détectées de CO2 et de SF6 étaient respectivement de 0,1 % et 0,03 %, et la gigue minimale du signal atteignait 2 % (Figure 2).
Figure 2. Relation quantitative entre l'intensité du signal Raman cohérent mesurée par expérience et la concentration de gaz.L'illustration montre les signaux Raman du CO2 et du SF6 mesurés à des concentrations minimales.Les concentrations minimales détectées de CO2 (pic Raman de 1 388 cm-1) et de SF6 sont respectivement de 0,1 % et 0,03 %.
En outre, la technique peut être utilisée pour des mesures multicomposantes simultanées dans un mélange d'air, de CO2 et de SF6, comme le montrent les figures 3 (a) à (c), bénéficiant de l'excitation multicomposante du laser femtoseconde et de la capacité de résolution multicomposante du laser à air.Plus important encore, la spectroscopie Raman cohérente assistée par laser aérien peut être utilisée pour distinguer efficacement les gaz isotopiques 12CO2 et 13CO2, comme le montre la figure 3 (d).
Figure 3. Signaux Raman de (a) CO2 à une concentration de 0,5 % dans l'air, (b) SF6 à une concentration de 0,1 %, (c) CO2 à une concentration de 0,5 % et SF6 à une concentration de 0,1 %, mesurés par spectroscopie Raman cohérente assistée par laser aérien ;(d) Signaux Raman de 12CO2 et 13CO2, tous deux à une concentration de 0,4 % dans l'air
Résumé et perspective
La spectroscopie Raman cohérente assistée par laser aérien, qui combine les avantages du laser femtoseconde et du laser aérien, peut non seulement être utilisée pour la détection très sensible des concentrations courantes de gaz à effet de serre dans l'air, mais a également la capacité de mesurer plusieurs composants et de résoudre les isotopes. .La mesure de corrélation de divers polluants et gaz à effet de serre et la détection de l'isotope du CO2 sont d'une grande importance pour tracer la source de la pollution atmosphérique, étudier le processus du cycle du carbone et confirmer la source et le puits des émissions de carbone, et constituent également des avantages importants de cette technologie. par rapport à la technologie traditionnelle de télédétection.Cependant, pour obtenir une mesure de haute précision des traces de polluants dans l'atmosphère, il est nécessaire d'augmenter la sensibilité de détection au niveau ppm ou même ppb, et d'étendre la distance de détection de l'échelle du laboratoire à l'échelle kilométrique.On pense que grâce à l'innovation et au développement de la technologie laser femtoseconde à haute réfréquence et à haute énergie et de la technologie de détection à haute sensibilité, cette technologie devrait être considérablement améliorée en termes de distance et de sensibilité de détection, répondre aux exigences d'application pratique de la détection atmosphérique et servir le stratégie nationale « double carbone ».
L'auteur a présenté Shao
Zhihao Zhang (premier auteur) est un doctorant formé conjointement par l’Université des sciences et technologies de Shanghai et l’Institut d’optique et de machines de Shanghai de l’Académie chinoise des sciences.Ses intérêts de recherche portent sur l’interaction du laser femtoseconde avec la matière.Il a publié 9 articles dans des revues telles que Ultrafast Science et Science Bulletin.
Fangbo Zhang (co-premier auteur) est doctorant à l'Institut d'optique et d'informatique de Shanghai, Académie chinoise des sciences.Ses intérêts de recherche incluent l’optique ultrarapide à champ élevé et la spectroscopie non linéaire.Il a publié 3 articles académiques dans Opt.Lett., Phys.Rev.A et d'autres revues en tant que premier auteur et co-premier auteur.Il a reçu une bourse d'études exceptionnelle et la distinction d'étudiant de mérite de l'Institut d'optique et de machines de Shanghai.
En tant que premier auteur/auteur correspondant, il a publié 38 articles dans Phys Rev. Lett., Science Bulletin, etc., et ses résultats de recherche ont été sélectionnés comme « Réalisations importantes en optique chinoise », Rao Yutai Basic Optics Award et articles de couverture.Les travaux originaux dans le domaine du laser aérien ont été cités près de 200 fois.Financé par le projet « Excellent Youth » du Comité national de la Fondation, il a été sélectionné comme Excellent leader académique de Shanghai, Jeune talent de premier ordre de Shanghai et Jeune star des sciences et technologies de Shanghai.Membre du comité de rédaction de Laser China et membre du comité de rédaction d'Ultrafast Science Youth.
Cheng Ya (auteur correspondant) est chercheur à l'Institut d'optique et de machines de Shanghai, Académie chinoise des sciences, et professeur à l'École de physique et de sciences électroniques de l'Université normale de Chine orientale.Il est principalement engagé dans la recherche sur l’optique non linéaire ultrafine et la fabrication de micro-nano laser.Il a publié plus de 200 articles et plus de 10 000 citations, avec un facteur H supérieur à 50. Il a été parrainé plus de 100 fois par la National Science Foundation for Outstanding Young People.Il a successivement occupé le poste de scientifique en chef du projet du Plan national 973 et du projet clé du Plan de recherche et de développement.Il a publié 1 monographie en chinois et 5 monographies en anglais.Il est membre de l'Optical Society of America, de la British Physical Society et de la Chinese Optical Society.
Xu Zhi-zhan (auteur correspondant) est chercheur à l'Institut d'optique et de machines de Shanghai, Académie chinoise des sciences, académicien de l'Académie chinoise des sciences et membre de l'Académie des sciences du tiers monde.Il est l'un des premiers leaders dans le domaine de la fusion laser à confinement inertiel en Chine, et un pionnier dans le nouveau domaine de la science des lasers super-puissants et ultra-courts et de la physique des champs forts en Chine.Il a été directeur du Shanghai Optical Machinery Institute et vice-président de la Chinese Optical Society.Il a longtemps dirigé la recherche sur la fusion laser et a apporté des contributions pionnières et exceptionnelles.Elle a réalisé des découvertes scientifiques systématiques dans le cadre d'importantes recherches de pointe sur l'interaction entre le laser intense et la matière.Pour la première fois au monde, 8 nouveaux lasers à rayons X de longueur d'onde ont été obtenus grâce à des schémas d'ions de type lithium et sodium, et la longueur d'onde la plus courte a atteint 46,8 angs.Il a ouvert de nouveaux domaines de la science des lasers ultra-super courts et de la physique des champs forts en Chine et a réalisé des progrès révolutionnaires.En tant que premier lauréat, il a remporté 1 premier prix du National Science and Technology Progress Award, 2 deuxièmes prix du National Natural Science Award, 1 deuxième prix du National Invention Award, 4 premiers prix de l'Académie chinoise des sciences des sciences naturelles. Award et Science and Technology Progress Award, 2 premiers prix du Shanghai Science and Technology Progress Award et Natural Science Award, etc. En 1996, il a remporté le Shanghai Science and Technology Merit Award.Prix de la Fondation He Liang Ho Li pour le progrès scientifique et technologique en 1998. En 2006, il a reçu la médaille d'or pour « Contribution exceptionnelle à la science du laser » lors de la Conférence internationale sur la science des lasers ultra rapides et intenses.
Heure de publication : 09 mars 2023