l'air lasering è la radiazione coerente generata dall'amplificazione non in cavità attraverso la componente principale dell'aria o dei suoi derivati come mezzo di guadagno.Utilizza il "filamento ottico a femtosecondi", un canale di plasma a bassa temperatura generato da un impulso laser a femtosecondi ad alta energia, come vettore, che ha la naturale capacità di generazione remota e presenta i vantaggi di alta luminosità, larghezza di linea ridotta e trasmissione in un direzione specifica.Pertanto, dalla scoperta del laser ad aria, la sua applicazione nel campo del telerilevamento atmosferico ha attirato grande attenzione da parte dei ricercatori nazionali ed esteri.Ma come utilizzare questo nuovo “laser ad aria” per “diagnosticare” con precisione l’atmosfera?Un team di ricercatori dello State Key Laboratory of Innse Field Laser Physics presso l’Istituto di ottica e meccanica di Shanghai, Accademia cinese delle scienze, ha trovato la risposta.Il team ha riferito di una tecnica di diffusione Raman coerente assistita da laser in aria e ha registrato con successo l’“impronta digitale molecolare” dei gas serra CO2 e SF6 nell’atmosfera, ha ottenuto il rilevamento di gas serra in concentrazioni atmosferiche pari a 3 PPM e ha dimostrato la capacità della tecnica di misurazione simultanea di più componenti e risoluzione isotopica di CO2.
Il rilevamento remoto altamente sensibile di inquinanti atmosferici e agenti biochimici è molto importante per la scienza ambientale e la sicurezza della difesa nazionale.Il rapido sviluppo della tecnologia laser ultraforte e ultracorta fornisce un potente strumento per il telerilevamento ottico a distanza.Da un lato, i filamenti laser a femtosecondi ad alta energia possono trasmettere liberamente nell'atmosfera su lunghe distanze senza diffrazione.D’altra parte, una serie di sorgenti di radiazioni secondarie indotte dalla filazione laser a femtosecondi, come la luce bianca supercontinua, il laser ad aria, la fluorescenza molecolare, ecc., forniscono una “sonda” remota naturale per il telerilevamento atmosferico.Pertanto, la tecnologia di telerilevamento ottico basata sul laser ultraveloce ha attirato molta attenzione negli ultimi due decenni.Negli ultimi anni, la scoperta e la ricerca approfondita del laser ad aria hanno dato nuova vitalità al telerilevamento ottico ultraveloce.Il laser ad aria, che utilizza l'atmosfera onnipresente come mezzo di guadagno e il canale del plasma generato dal laser a femtosecondi come vettore, presenta i vantaggi di alta intensità, spettro ristretto, buona direttività spaziale e coesistenza naturale con il raggio della pompa, che lo rendono una "sonda" ideale ” per il rilevamento atmosferico.Tuttavia, l’uso del “laser ad aria” come nuovo strumento per il rilevamento atmosferico deve ancora affrontare grandi sfide in termini di principio, metodo, sensibilità e stabilità.
Il gruppo di ricerca del Laboratorio statale chiave di fisica dei laser ad alto campo, Istituto di ottica e meccanica di Shanghai, Accademia cinese delle scienze è impegnato nella ricerca sulla fisica ad alto campo e sull'applicazione del telerilevamento del laser ad aria poiché il fenomeno del "laser ad aria" ha indotto mediante ionizzazione ad alto campo è stata segnalata per la prima volta al mondo nel 2011 [Phys.Rev.A 84, 051802 (2011)].Recentemente, il team ha sviluppato una tecnica di spettroscopia Raman coerente altamente sensibile utilizzando un laser ad aria, che consente il rilevamento quantitativo delle concentrazioni di gas serra nell'atmosfera, il rilevamento simultaneo di più componenti e l'identificazione degli isotopi di CO2, con sensibilità di rilevamento fino allo 0,03% e jitter minimo del segnale fino al 2%.La ricerca in questione è stata pubblicata su Ultrafast Science on High Sensitivity Gas Detection with Air-Lasing Coherent Raman Spectroscopy.
Il principio di base della spettroscopia Raman coerente assistita da laser ad aria è mostrato nella Figura 1. L'interazione non lineare estrema tra il laser a femtosecondi e l'aria, da un lato, eccita il guadagno ottico delle molecole d'aria, realizza l'amplificazione del seme di oltre 1000 volte e genera un laser ad aria agli ioni di azoto con una lunghezza d'onda di 428 nm e una larghezza di linea di 13 cm-1.Allo stesso tempo, il laser a femtosecondi trasmette in modo non lineare nell’atmosfera, estendendo la larghezza di banda dello spettro a 3800 cm-1, che è più di un ordine di grandezza più ampia dello spettro incidente ed è sufficiente ad eccitare la vibrazione Raman coerente della maggior parte delle molecole inquinanti. e i gas serra nell’aria.Quando il laser ad aria incontra molecole che vibrano in modo coerente, viene effettivamente generato lo scattering Raman coerente.Registrando lo spostamento di frequenza tra il segnale Raman coerente e il laser ad aria, noto come "impronta digitale Raman", è possibile apprendere le "informazioni sull'identità" della molecola, ovvero la sua composizione chimica.
Figura 1. Il principio di base della tecnica di diffusione Raman coerente assistita da laser ad aria: (a) Diagramma schematico del meccanismo di generazione del laser ad aria e di diffusione Raman coerente;(b) Confronto tra lo spettro luminoso della pompa ampliato e lo spettro originale;(c) Distribuzione spettrale e spaziale dei laser aerei.
La spettroscopia Raman coerente assistita da laser ad aria combina i doppi vantaggi del laser a femtosecondi e del laser ad aria: il laser a femtosecondi ha un ampio spettro e una larghezza di impulso breve, che può eccitare simultaneamente la vibrazione coerente di molte molecole di gas.Lo spettro ristretto del laser ad aria può essere utilizzato come sonda ad alta risoluzione spettrale, in grado di distinguere efficacemente le impronte Raman di diverse molecole.Pertanto, la tecnologia può soddisfare le esigenze di misurazione multicomponente e specificità chimica.In questo studio, il rapporto segnale-rumore dei segnali Raman coerenti viene effettivamente migliorato utilizzando la tecnologia di amplificazione seed e di filtraggio della polarizzazione, mentre il rumore di fondo e il jitter del segnale causati dalla generazione supercontinua di luce bianca vengono significativamente soppressi, migliorando così la sensibilità di rilevamento e stabilità.Il gruppo di ricerca ha utilizzato la tecnologia di spettroscopia Raman coerente assistita da laser ad aria per misurare la relazione quantitativa tra l’intensità del segnale Raman di CO2 e SF6 nell’atmosfera e la corrispondente concentrazione di gas.Le concentrazioni minime rilevate di CO2 e SF6 erano rispettivamente dello 0,1% e dello 0,03% e il jitter minimo del segnale ha raggiunto il 2% (Figura 2).
Figura 2. Relazione quantitativa tra l'intensità del segnale Raman coerente misurata dall'esperimento e la concentrazione del gas.L'illustrazione mostra i segnali Raman di CO2 e SF6 misurati a concentrazioni minime.Le concentrazioni minime rilevate di CO2 (picco Raman di 1388 cm-1) e SF6 sono rispettivamente 0,1% e 0,03%
Inoltre, la tecnica può essere utilizzata per misurazioni multicomponente simultanee in una miscela di aria, CO2 e SF6, come mostrato nella Figura 3(a)-(c), beneficiando dell'eccitazione multicomponente del laser a femtosecondi e della capacità di risoluzione multicomponente del laser ad aria.Ancora più importante, la spettroscopia Raman coerente assistita da laser ad aria può essere utilizzata per distinguere efficacemente tra i gas isotopici 12CO2 e 13CO2, come mostrato nella Figura 3 (d).
Figura 3. Segnali Raman di (a) CO2 a una concentrazione dello 0,5% nell'aria, (b) SF6 a una concentrazione dello 0,1%, (c) CO2 a una concentrazione dello 0,5% e SF6 a una concentrazione dello 0,1%, misurati mediante spettroscopia Raman coerente assistita da laser ad aria;(d) Segnali Raman di 12CO2 e 13CO2, entrambi con una concentrazione dello 0,4% nell'aria
Sintesi e prospettiva
La spettroscopia Raman coerente assistita da laser ad aria, che combina i vantaggi del laser a femtosecondi e del laser ad aria, non solo può essere utilizzata per il rilevamento altamente sensibile delle comuni concentrazioni di gas serra nell'aria, ma ha anche la capacità di misurazione multicomponente e risoluzione isotopica .La misurazione della correlazione di vari inquinanti e gas serra e il rilevamento dell'isotopo CO2 sono di grande importanza per rintracciare la fonte dell'inquinamento atmosferico, studiare il processo del ciclo del carbonio e confermare la fonte e il pozzo delle emissioni di carbonio, e sono anche importanti vantaggi di questa tecnologia rispetto alla tradizionale tecnologia di telerilevamento.Tuttavia, per ottenere una misurazione ad alta precisione delle tracce di inquinanti nell'atmosfera, è necessario aumentare la sensibilità di rilevamento al livello di ppm o addirittura ppb ed espandere la distanza di rilevamento dalla scala del laboratorio alla scala del chilometro.Si ritiene che attraverso l'innovazione e lo sviluppo della tecnologia laser a femtosecondi ad alta frequenza e ad alta energia e della tecnologia di rilevamento ad alta sensibilità, si prevede che questa tecnologia migliorerà significativamente nella distanza di rilevamento e nella sensibilità, soddisferà i requisiti di applicazione pratica del rilevamento atmosferico e servirà il strategia nazionale “dual carbon”.
L'autore ha presentato Shao
Zhihao Zhang (primo autore) è un dottorando formato congiuntamente dall'Università della Scienza e della Tecnologia di Shanghai e dall'Istituto di ottica e macchinari di Shanghai, Accademia cinese delle scienze.I suoi interessi di ricerca riguardano l'interazione del laser a femtosecondi con la materia.Ha pubblicato 9 articoli su riviste come Ultrafast Science e Science Bulletin.
Fangbo Zhang (co-primo autore) è un dottorando presso l'Istituto di ottica e computer di Shanghai, Accademia cinese delle scienze.I suoi interessi di ricerca includono l'ottica ultraveloce ad alto campo e la spettroscopia non lineare.Ha pubblicato 3 articoli accademici in Opt.Lett., Phys.Rev.A e altre riviste come primo autore e co-primo autore.Gli è stata assegnata la borsa di studio per studenti eccezionali e l'onore di studente al merito dell'Istituto di ottica e macchinari di Shanghai.
Come primo autore/autore corrispondente, ha pubblicato 38 articoli su Phys Rev. Lett., Science Bulletin, ecc., e i risultati della sua ricerca sono stati selezionati come "Important Achievements in Chinese Optics", Rao Yutai Basic Optics Award e articoli di copertina.Il lavoro originale nella direzione del laser ad aria è stato citato quasi 200 volte.Finanziato dal progetto “Gioventù Eccellente” del Comitato Nazionale della Fondazione, è stato selezionato come Shanghai Excellent Academic Leader, Shanghai Youth Top-notch Talent e Shanghai Young Science and Technology Star.Membro del comitato editoriale di Laser China e membro del comitato editoriale di Ultrafast Science Youth.
Cheng Ya (autore corrispondente) è un ricercatore presso l'Istituto di ottica e macchinari di Shanghai, Accademia cinese delle scienze, e professore presso la Scuola di fisica e scienze elettroniche, Università normale della Cina orientale.È principalmente impegnato nella ricerca sull'ottica non lineare ultrafine e sulla produzione di micro-nano laser.Ha pubblicato più di 200 articoli e più di 10.000 citazioni, con un fattore H superiore a 50. È stato sponsorizzato dalla National Science Foundation for Outstanding Young People per più di 100 volte.Successivamente ha ricoperto il ruolo di capo scienziato del progetto Piano nazionale 973 e del progetto chiave del Piano di ricerca e sviluppo.Ha pubblicato 1 monografia in cinese e 5 monografie in inglese.È membro della Optical Society of America, membro della British Physical Society e membro della Chinese Optical Society.
Xu Zhi-zhan (autore corrispondente) è un ricercatore presso l'Istituto di ottica e macchinari di Shanghai, Accademia cinese delle scienze, accademico dell'Accademia cinese delle scienze e membro dell'Accademia delle scienze del terzo mondo.È uno dei primi leader nel campo della fusione laser a confinamento inerziale in Cina e un pioniere nel nuovo campo della scienza dei laser super-forti e ultracorti e della fisica dei campi forti in Cina.È stato direttore dello Shanghai Optical Machinery Institute e vicepresidente della Chinese Optical Society.Ha presieduto a lungo la ricerca sulla fusione laser e ha apportato contributi pionieristici ed eccezionali.Ha fatto scoperte scientifiche sistematiche in importanti ricerche di frontiera sull'interazione tra laser intenso e materia.Per la prima volta al mondo, 8 laser a raggi X di nuova lunghezza d'onda sono stati ottenuti mediante schemi di ioni litio e sodio-simili, e la lunghezza d'onda più corta ha raggiunto 46,8 ang.Ha aperto nuovi campi della scienza dei laser super super corti e della fisica dei campi forti in Cina e ha ottenuto risultati rivoluzionari.Come primo vincitore, ha vinto 1 primo premio del National Science and Technology Progress Award, 2 secondi premi del National Natural Science Award, 1 secondo premio del National Invention Award, 4 primi premi dell'Accademia cinese delle scienze Scienze naturali e il Premio per il Progresso della Scienza e della Tecnologia, 2 primi premi del Premio per il Progresso della Scienza e della Tecnologia di Shanghai e del Premio per le Scienze Naturali, ecc. Nel 1996, ha vinto il Premio al Merito della Scienza e della Tecnologia di Shanghai.Premio He Liang Ho Li della Fondazione per il progresso scientifico e tecnologico nel 1998. Nel 2006, gli è stata assegnata la medaglia d'oro per il "contributo eccezionale alla scienza del laser" alla Conferenza internazionale sulla scienza dei laser ultraveloci e intensi.
Orario di pubblicazione: 09-marzo-2023