空気レージングは、利得媒体としての空気の主成分またはその誘導体による非空洞増幅によって生成されるコヒーレント放射です。高エネルギーのフェムト秒レーザーパルスにより生成される低温プラズマチャネル「フェムト秒光フィラメント」をキャリアとして使用し、天然の遠隔生成能力を持ち、高輝度、狭線幅、高速伝送などの利点を持っています。具体的な方向性。そのため、空気レーザーの発見以来、大気リモートセンシング分野への応用は国内外の研究者から大きな注目を集めています。しかし、この新しい「空気レーザー」を使って大気を正確に「診断」するにはどうすればよいのでしょうか?中国科学院上海光学力学研究所のインセ場レーザー物理学国家重点研究所の研究者チームがその答えを見つけ出した。研究チームは、空気レーザー支援コヒーレント・ラマン散乱技術について報告し、大気中の温室効果ガスCO2とSF6の「分子指紋」の記録に成功し、大気中の濃度が3PPMという低濃度の温室効果ガスの検出を達成し、複数の成分と CO2 同位体分解能を同時に測定する技術の能力。
大気汚染物質や生化学物質を高感度で遠隔検出することは、環境科学と国防の安全にとって非常に重要です。超強力かつ超短レーザー技術の急速な発展により、遠隔光学リモートセンシングのための強力なツールが提供されます。一方で、高エネルギーのフェムト秒レーザー フィラメントは、回折することなく大気中を長距離にわたって自由に伝播できます。一方、超連続白色光、空気レーザー、分子蛍光などのフェムト秒レーザーフィラミネーションによって誘発される一連の二次放射線源は、大気リモートセンシングのための自然な遠隔「プローブ」を提供します。したがって、超高速レーザーに基づく光学リモートセンシング技術は、過去 20 年間で大きな注目を集めてきました。近年、空気レーザーの発見と広範な研究により、超高速光リモートセンシングに新たな活力が吹き込まれています。空気レーザーは、ユビキタス大気を利得媒体とし、フェムト秒レーザーによって生成されたプラズマチャネルをキャリアとして利用し、高強度、狭いスペクトル、優れた空間指向性、およびポンプビームと自然に共存できるという利点を備えており、理想的な「プローブ」となっています。 」大気検知用。しかし、大気検知のための新しいツールとしての「空気レーザー」の使用は、原理、方法、感度、安定性の点で依然として大きな課題に直面しています。
中国科学院上海光学機械研究所高磁場レーザー物理学国家重点研究室の研究チームは、「空気レーザー」現象が引き起こされて以来、高磁場物理学と空気レーザーのリモートセンシング応用の研究に取り組んでいる。高電界イオン化によるイオン化は 2011 年に世界で最初に報告されました [Phys.Rev.A 84、051802 (2011)]。最近、研究チームは空気レーザーを使用した高感度コヒーレントラマン分光法を開発しました。これにより、大気中の温室効果ガス濃度の定量的検出、複数の成分の同時検出、および CO2 同位体の同定が可能になり、検出感度は最大 0.03%、信号ジッターは最小限に抑えられます。最大2%。関連する研究は、Air-Lasing-Assisted Coherent Raman Spectroscopy による高感度ガス検出に関する Ultrafast Science に掲載されました。
空気レーザー支援コヒーレントラマン分光法の基本原理を図 1 に示します。フェムト秒レーザーと空気の間の極端な非線形相互作用により、空気分子の光学利得が励起され、1000 倍を超えるシード増幅が実現されます。波長428nm、線幅13cm-1の窒素イオン空気レーザーを発生します。同時に、フェムト秒レーザーは大気中を非線形に透過し、スペクトル帯域幅を 3800 cm-1 まで拡張します。これは入射スペクトルよりも 1 桁以上広く、ほとんどの汚染物質分子のコヒーレント ラマン振動を励起するのに十分です。そして空気中の温室効果ガス。空気レーザーがコヒーレントに振動する分子に遭遇すると、コヒーレントなラマン散乱が効果的に生成されます。「ラマン指紋」として知られる、コヒーレントなラマン信号と空気レーザー間の周波数シフトを記録することで、分子の「識別情報」、つまりその化学組成を知ることができます。
図 1. 空気レーザー支援コヒーレント ラマン散乱技術の基本原理: (a) 空気レーザーとコヒーレント ラマン散乱の発生メカニズムの概略図。(b) 広がったポンプ光スペクトルと元のスペクトルの比較。(c) 空中レーザーのスペクトルおよび空間分布。
空気レーザー支援コヒーレントラマン分光法は、フェムト秒レーザーと空気レーザーの 2 つの利点を組み合わせています。フェムト秒レーザーは広いスペクトルと短いパルス幅を備えており、多くの気体分子のコヒーレント振動を同時に励起できます。空気レーザーの狭いスペクトルは、高いスペクトル分解能を備えたプローブとして使用でき、さまざまな分子のラマン指紋を効果的に区別できます。したがって、この技術は多成分測定と化学的特異性のニーズを満たすことができます。この研究では、シード増幅と偏光フィルタリング技術を使用することにより、コヒーレントラマン信号の信号対雑音比が効果的に改善され、超連続白色光の生成によって引き起こされるバックグラウンドノイズと信号ジッターが大幅に抑制され、検出感度が向上し、安定性。研究チームは、大気レーザー支援コヒーレントラマン分光技術を利用して、大気中のCO2とSF6のラマン信号強度と対応するガス濃度との定量的関係を測定した。CO2 と SF6 の最小検出濃度はそれぞれ 0.1% と 0.03% で、最小信号ジッターは 2% に達しました (図 2)。
図 2. 実験により測定されたコヒーレントラマン信号強度とガス濃度の定量的関係。この図は、最小濃度で測定された CO2 と SF6 のラマン信号を示しています。CO2 (1388 cm-1 ラマンピーク) と SF6 の最小検出濃度は、それぞれ 0.1% と 0.03% です。
さらに、この技術は、図 3(a) ～ (c) に示すように、空気、CO2、SF6 の混合物中の多成分の同時測定にも使用でき、フェムト秒レーザーの多成分励起と空気レーザーの多成分分解能の利点を活用できます。さらに重要なことは、図 3(d) に示すように、空気レーザー支援コヒーレントラマン分光法を使用して 12CO2 と 13CO2 同位体ガスを効果的に区別できることです。
図 3. (a) 空気中の濃度 0.5% の CO2、(b) 濃度 0.1% の SF6、(c) 濃度 0.5% の CO2、および濃度 0.1% の SF6 のラマン シグナルの測定空気レーザー支援コヒーレントラマン分光法による。(d) 12CO2 と 13CO2 のラマンシグナル (両方とも空気中の濃度 0.4%)
概要と展望
フェムト秒レーザーと空気レーザーの利点を組み合わせた空気レーザー支援コヒーレントラマン分光法は、空気中の一般的な温室効果ガス濃度の高感度検出に使用できるだけでなく、多成分測定および同位体分解能も備えています。 。さまざまな汚染物質と温室効果ガスの相関測定と CO2 同位体の検出は、大気汚染の原因の追跡、炭素循環プロセスの研究、炭素排出源と吸収源の確認に非常に重要であり、この技術の重要な利点でもあります。従来のリモートセンシング技術を超えます。しかし、大気中の微量汚染物質を高精度に測定するには、検出感度をppm、さらにはppbレベルまで高め、検出距離を実験室スケールからキロメートルスケールまで拡大する必要があります。高周波・高エネルギーフェムト秒レーザー技術と高感度検出技術の革新・開発により、この技術は検出距離と感度が大幅に向上し、大気検出の実用化要件を満たし、国家的な「デュアルカーボン」戦略。
著者がシャオを紹介した
Zhihao Zhang (筆頭著者) は、上海科技大学と中国科学院上海光学機械研究所が共同で訓練した博士号候補者です。彼の研究対象は、フェムト秒レーザーと物質の相互作用です。Ultrafast Science や Science Bulletin などのジャーナルに 9 件の論文を発表しています。
Fangbo Zhang (共同筆頭著者) は、中国科学院上海光学コンピューター研究所の博士号取得候補者です。彼の研究対象には、高磁場超高速光学および非線形分光法が含まれます。彼は Opt.Lett.、Phys. に 3 つの学術論文を発表しています。Rev.A およびその他のジャーナルを筆頭著者および共同筆頭著者として執筆。彼は上海光学機械大学の優秀学生奨学金と優秀学生賞を受賞しました。
筆頭著者・責任著者として、Phys Rev. Lett.、Science Bulletinなどに38本の論文を発表し、その研究成果は「中国光学における重要な業績」、饒玉台基礎光学賞および表紙論文に選ばれた。エアレーザー方向のオリジナルの著作は 200 回近く引用されています。国家財団委員会の「優秀な青少年」プロジェクトの資金提供を受け、上海優秀学術指導者、上海青少年一流人材、上海若手科学技術スターに選ばれている。Laser China編集委員およびUltrafast Science Youth編集委員。
Cheng Ya (連絡著者) は、中国科学院上海光学機械研究所の研究者であり、華東師範大学物理電子科学部の教授です。主に超微細非線形光学とレーザーマイクロナノ製造の研究に従事。彼は 200 以上の論文と 10,000 以上の引用を発表しており、H ファクターは 50 を超えています。彼は、優秀な若者のための全米科学財団から 100 回以上後援を受けています。国家973計画プロジェクトおよび主要研究開発計画プロジェクトの主任研究員を歴任した。彼は中国語で 1 冊の単行本と英語で 5 冊の単行本を出版しています。彼はアメリカ光学協会の会員、英国物理学会の会員、および中国光学協会の会員です。
Xu Zhi-zhan (連絡著者) は、中国科学院上海光学機械研究所の研究者、中国科学院院士、第三世界科学アカデミーの会員です。彼は、中国の慣性閉じ込めレーザー核融合分野の初期のリーダーの 1 人であり、中国における超強力および超短レーザー科学および強磁場物理学の新分野の先駆者です。彼は上海光学機械研究所の所長および中国光学協会の副会長を務めました。彼はレーザー核融合研究を長期にわたって主宰し、先駆的かつ顕著な貢献をしました。強力なレーザーと物質の間の相互作用に関する重要なフロンティア研究において体系的な科学的発見をもたらしました。世界で初めて、リチウムおよびナトリウム様イオンスキームによって8つの新しい波長のX線レーザーが得られ、最短波長は46.8オングストロームに達しました。中国における超超短レーザー科学と強磁場物理学の新分野を切り開き、画期的な成果を上げた。最初の受賞者として、彼は国家科学技術進歩賞の1等賞を1回、国家自然科学賞の2等賞を2回、国家発明賞の2等賞を1回、中国科学院自然科学賞の1等賞を4回受賞している。賞と科学技術進歩賞、上海科学技術進歩賞と自然科学賞の2つの一等賞を受賞。1996年には上海科学技術功労賞を受賞した。1998 年に科学技術の進歩に対して何梁和立財団賞を受賞。2006 年には、超高速および高強度レーザー科学に関する国際会議で「レーザー科学への顕著な貢献」に対して金メダルを受賞しました。
投稿時間: 2023 年 3 月 9 日