penguat udara adalah radiasi koheren yang dihasilkan oleh amplifikasi non-rongga melalui komponen utama udara atau turunannya sebagai media penguatan.Ia menggunakan "filamen optik femtosecond", saluran plasma suhu rendah yang dihasilkan oleh pulsa laser femtosecond berenergi tinggi, sebagai pembawa, yang memiliki kemampuan pembangkitan jarak jauh alami, dan memiliki keunggulan kecerahan tinggi, lebar saluran sempit, dan transmisi dalam a arah tertentu.Oleh karena itu, sejak ditemukannya laser udara, penerapannya dalam bidang penginderaan jauh atmosfer telah menarik perhatian besar para peneliti di dalam dan luar negeri.Namun, bagaimana cara menggunakan “laser udara” baru ini untuk “mendiagnosis” atmosfer secara akurat?Sebuah tim peneliti di State Key Laboratory of Innse Field Laser Physics di Shanghai Institute of Optics and Mechanics, Chinese Academy of Sciences, telah menemukan jawabannya.Tim tersebut melaporkan teknik hamburan Raman koheren yang dibantu laser udara dan berhasil mencatat “sidik jari molekuler” gas rumah kaca CO2 dan SF6 di atmosfer, berhasil mendeteksi gas rumah kaca pada konsentrasi atmosfer serendah 3 PPM, dan mendemonstrasikan kemampuan teknik untuk pengukuran simultan beberapa komponen dan resolusi isotop CO2.
Deteksi jarak jauh yang sangat sensitif terhadap polutan udara dan agen biokimia sangat penting bagi ilmu lingkungan dan keamanan pertahanan nasional.Pesatnya perkembangan teknologi laser ultra-kuat dan ultra-pendek menyediakan alat yang ampuh untuk penginderaan jauh optik jarak jauh.Di satu sisi, filamen laser femtosecond berenergi tinggi dapat mentransmisikan secara bebas di atmosfer dalam jarak jauh tanpa difraksi.Di sisi lain, serangkaian sumber radiasi sekunder yang diinduksi oleh filamen laser femtosecond, seperti cahaya putih superkontinyu, laser udara, fluoresensi molekuler, dll., menyediakan “penyelidikan” jarak jauh alami untuk penginderaan jauh atmosfer.Oleh karena itu, teknologi penginderaan jauh optik berbasis laser ultracepat telah menarik banyak perhatian dalam dua dekade terakhir.Dalam beberapa tahun terakhir, penemuan dan penelitian ekstensif tentang laser udara telah memberikan vitalitas baru pada penginderaan jauh optik ultracepat.Laser udara, yang menggunakan atmosfer di mana-mana sebagai media penguatan dan saluran plasma yang dihasilkan oleh laser femtosecond sebagai pembawa, memiliki keunggulan intensitas tinggi, spektrum sempit, pengarahan spasial yang baik, dan hidup berdampingan secara alami dengan berkas pompa, menjadikannya “penyelidikan” yang ideal. ” untuk deteksi atmosfer.Namun, penggunaan “laser udara” sebagai alat baru untuk mendeteksi atmosfer masih menghadapi tantangan besar dalam hal prinsip, metode, sensitivitas, dan stabilitas.
Tim peneliti dari Laboratorium Kunci Negara untuk Fisika Laser Medan Tinggi, Institut Optik dan Mekanika Shanghai, Akademi Sains Tiongkok telah berkomitmen pada penelitian fisika medan tinggi dan penerapan penginderaan jarak jauh laser udara sejak fenomena “laser udara” dipicu oleh ionisasi medan tinggi pertama kali dilaporkan di dunia pada tahun 2011 [Phys.Rev.A 84, 051802 (2011)].Baru-baru ini, tim mengembangkan teknik spektroskopi Raman koheren yang sangat sensitif menggunakan laser udara, yang memungkinkan deteksi kuantitatif konsentrasi gas rumah kaca di atmosfer, deteksi simultan beberapa komponen, dan identifikasi isotop CO2, dengan sensitivitas deteksi hingga 0,03% dan jitter sinyal minimum sampai 2%.Penelitian yang relevan dipublikasikan di Ilmu Ultrafast tentang Deteksi Gas Sensitivitas Tinggi dengan Spektroskopi Raman Koheren Berbantuan Udara.
Prinsip dasar spektroskopi Raman koheren berbantuan laser udara ditunjukkan pada Gambar 1. Interaksi nonlinier ekstrem antara laser femtosecond dan udara, di satu sisi, menggairahkan perolehan optik molekul udara, mewujudkan amplifikasi benih lebih dari 1000 kali, dan menghasilkan laser udara ion nitrogen dengan panjang gelombang 428 nm dan lebar garis 13 cm-1.Pada saat yang sama, laser femtosecond mentransmisikan secara nonlinier di atmosfer, memperluas bandwidth spektrum hingga 3800 cm-1, yang lebih dari satu urutan besarnya lebih lebar dari spektrum datang, dan cukup untuk membangkitkan getaran Raman yang koheren dari sebagian besar molekul polutan. dan gas rumah kaca di udara.Ketika laser udara bertemu dengan molekul yang bergetar secara koheren, hamburan Raman yang koheren dihasilkan secara efektif.Dengan merekam pergeseran frekuensi antara sinyal Raman yang koheren dan laser udara, yang dikenal sebagai “sidik jari Raman”, “informasi identitas” molekul – komposisi kimianya – dapat dipelajari.
Gambar 1. Prinsip dasar teknik hamburan Raman koheren berbantuan laser udara: (a) Diagram skematik mekanisme pembangkitan laser udara dan hamburan Raman koheren;(b) Perbandingan antara spektrum cahaya pompa yang diperluas dan spektrum aslinya;(c) Distribusi spektral dan spasial laser di udara.
Spektroskopi Raman koheren berbantuan laser udara menggabungkan keunggulan ganda laser femtosecond dan laser udara: laser femtosecond memiliki spektrum luas dan lebar pulsa pendek, yang secara bersamaan dapat merangsang getaran koheren banyak molekul gas.Spektrum sempit laser udara dapat digunakan sebagai probe dengan resolusi spektral tinggi, yang secara efektif dapat membedakan sidik jari Raman dari berbagai molekul.Oleh karena itu, teknologi ini dapat memenuhi kebutuhan pengukuran multikomponen dan spesifisitas kimia.Dalam studi ini, rasio signal-to-noise dari sinyal Raman yang koheren ditingkatkan secara efektif dengan menggunakan amplifikasi benih dan teknologi penyaringan polarisasi, dan noise latar belakang serta jitter sinyal yang disebabkan oleh pembangkitan cahaya putih superkontinu ditekan secara signifikan, sehingga meningkatkan sensitivitas deteksi dan stabilitas.Tim peneliti menggunakan teknologi spektroskopi Raman koheren berbantuan laser udara untuk mengukur hubungan kuantitatif antara intensitas sinyal Raman CO2 dan SF6 di atmosfer dan konsentrasi gas yang sesuai.Konsentrasi minimum CO2 dan SF6 yang terdeteksi masing-masing adalah 0,1% dan 0,03%, dan jitter sinyal minimum mencapai 2% (Gambar 2).
Gambar 2. Hubungan kuantitatif antara intensitas sinyal Raman koheren yang diukur melalui eksperimen dan konsentrasi gas.Ilustrasi menunjukkan sinyal Raman CO2 dan SF6 diukur pada konsentrasi minimum.Konsentrasi minimum CO2 yang terdeteksi (puncak Raman 1388 cm-1) dan SF6 masing-masing adalah 0,1% dan 0,03%
Selanjutnya, teknik ini dapat digunakan untuk pengukuran multikomponen secara simultan dalam campuran udara, CO2, dan SF6, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3(a)-(c), memanfaatkan eksitasi multikomponen laser femtosecond dan kemampuan resolusi multikomponen laser udara.Lebih penting lagi, spektroskopi Raman koheren berbantuan laser udara dapat digunakan untuk membedakan secara efektif antara gas isotop 12CO2 dan 13CO2, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3(d).
Gambar 3. Sinyal Raman (a) CO2 pada konsentrasi 0,5% di udara, (b) SF6 pada konsentrasi 0,1%, (c) CO2 pada konsentrasi 0,5% dan SF6 pada konsentrasi 0,1%, diukur dengan spektroskopi Raman koheren berbantuan laser udara;(d) Sinyal Raman 12CO2 dan 13CO2, keduanya pada konsentrasi 0,4% di udara
Ringkasan dan prospek
Spektroskopi Raman koheren berbantuan laser udara, yang menggabungkan keunggulan laser femtosecond dan laser udara, tidak hanya dapat digunakan untuk deteksi yang sangat sensitif terhadap konsentrasi gas rumah kaca umum di udara, tetapi juga memiliki kemampuan pengukuran multi-komponen dan resolusi isotop. .Pengukuran korelasi berbagai polutan dan gas rumah kaca serta deteksi isotop CO2 sangat penting untuk melacak sumber polusi atmosfer, mempelajari proses siklus karbon dan memastikan sumber dan penyerap emisi karbon, dan juga merupakan keuntungan penting dari teknologi ini. dibandingkan teknologi penginderaan jauh tradisional.Namun, untuk mencapai pengukuran jejak polutan di atmosfer dengan presisi tinggi, perlu untuk meningkatkan sensitivitas deteksi hingga tingkat ppm atau bahkan ppb, dan memperluas jarak deteksi dari skala laboratorium ke skala kilometer.Dipercaya bahwa melalui inovasi dan pengembangan frekuensi tinggi, teknologi laser femtosecond berenergi tinggi, dan teknologi deteksi sensitivitas tinggi, teknologi ini diharapkan dapat ditingkatkan secara signifikan dalam jarak dan sensitivitas deteksi, memenuhi persyaratan aplikasi praktis deteksi atmosfer, dan melayani kebutuhan. strategi nasional “karbon ganda”.
Penulis memperkenalkan Shao
Zhihao Zhang (penulis pertama) adalah kandidat doktor yang dilatih bersama oleh Universitas Sains dan Teknologi Shanghai dan Institut Optik dan Mesin Shanghai, Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok.Minat penelitiannya adalah interaksi laser femtosecond dengan materi.Ia telah menerbitkan 9 makalah di jurnal seperti Ultrafast Science dan Science Bulletin.
Fangbo Zhang (penulis pertama) adalah kandidat PhD di Institut Optik dan Komputer Shanghai, Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok.Minat penelitiannya meliputi optik ultracepat medan tinggi dan spektroskopi nonlinier.Dia telah menerbitkan 3 makalah akademis di Opt.Lett., Phys.Rev.A dan jurnal lainnya sebagai penulis pertama dan rekan penulis pertama.Beliau dianugerahi Beasiswa Mahasiswa Berprestasi dan penghargaan Mahasiswa Berprestasi dari Institut Optik dan Mesin Shanghai.
Sebagai penulis pertama/koresponden, ia menerbitkan 38 makalah di Phys Rev. Lett., Science Bulletin, dll., dan hasil penelitiannya terpilih sebagai “Pencapaian Penting dalam Optik Tiongkok”, Penghargaan Optik Dasar Rao Yutai, dan artikel sampul.Karya asli dalam arah laser udara telah dikutip hampir 200 kali.Didanai oleh proyek “Pemuda Luar Biasa” dari Komite Yayasan Nasional, ia telah terpilih sebagai Pemimpin Akademik Luar Biasa Shanghai, Bakat Terbaik Pemuda Shanghai, dan Bintang Sains dan Teknologi Muda Shanghai.Anggota dewan redaksi Laser China dan Anggota Dewan Editorial Pemuda Ultrafast Science.
Cheng Ya (penulis koresponden) adalah peneliti di Institut Optik dan Mesin Shanghai, Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok, dan profesor di Sekolah Ilmu Fisika dan Elektronik, Universitas Normal Tiongkok Timur.Beliau terutama terlibat dalam penelitian optik nonlinier ultrahalus dan manufaktur mikro-nano laser.Ia telah menerbitkan lebih dari 200 makalah dan lebih dari 10.000 kutipan, dengan faktor H lebih besar dari 50. Ia telah disponsori oleh National Science Foundation for Outstanding Young People lebih dari 100 kali.Dia berturut-turut menjabat sebagai kepala ilmuwan proyek Rencana Nasional 973 dan proyek Rencana penelitian dan pengembangan utama.Ia telah menerbitkan 1 monografi dalam bahasa Mandarin dan 5 monografi dalam bahasa Inggris.Dia adalah anggota dari Optical Society of America, anggota dari British Physical Society, dan anggota dari Chinese Optical Society.
Xu Zhi-zhan (penulis koresponden) adalah peneliti di Institut Optik dan Mesin Shanghai, Akademi Sains Tiongkok, Akademisi Akademi Sains Tiongkok, dan anggota Akademi Sains Dunia Ketiga.Dia adalah salah satu pemimpin awal di bidang fusi laser kurungan inersia di Tiongkok, dan pelopor dalam bidang baru ilmu laser super kuat dan ultra-pendek serta fisika medan kuat di Tiongkok.Dia menjabat sebagai direktur Institut Mesin Optik Shanghai dan wakil presiden Masyarakat Optik Tiongkok.Dia memimpin penelitian fusi laser untuk waktu yang lama dan memberikan kontribusi perintis dan luar biasa.Ia telah membuat penemuan ilmiah sistematis dalam penelitian penting tentang interaksi antara laser intens dan materi.Untuk pertama kalinya di dunia, 8 laser sinar-X dengan panjang gelombang baru telah diperoleh melalui skema ion mirip litium dan natrium, dan panjang gelombang terpendek telah mencapai 46,8 ang.Ini telah membuka bidang baru ilmu laser super super pendek dan fisika lapangan yang kuat di Tiongkok dan membuat pencapaian terobosan.Sebagai pemenang pertama, ia telah memenangkan 1 hadiah pertama Penghargaan Kemajuan Sains dan Teknologi Nasional, 2 hadiah kedua Penghargaan Ilmu Pengetahuan Alam Nasional, 1 hadiah kedua Penghargaan Penemuan Nasional, 4 hadiah pertama Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok Ilmu Pengetahuan Alam Penghargaan dan Penghargaan Kemajuan Sains dan Teknologi, 2 hadiah pertama Penghargaan Kemajuan Sains dan Teknologi Shanghai dan Penghargaan Ilmu Pengetahuan Alam, dll. Pada tahun 1996, ia memenangkan Penghargaan Merit Sains dan Teknologi Shanghai.Penghargaan Yayasan He Liang Ho Li untuk Kemajuan Ilmiah dan Teknologi pada tahun 1998. Pada tahun 2006, ia dianugerahi Medali Emas untuk “Kontribusi Luar Biasa terhadap ilmu laser” di Konferensi Internasional tentang Ilmu Laser Ultra Cepat dan Intens.
Waktu posting: 09-Mar-2023