공기 레이징은 공기의 주성분 또는 그 파생물을 이득 매체로 통해 비공동 증폭에 의해 생성된 간섭성 방사선입니다.고에너지 펨토초 레이저 펄스에 의해 생성된 저온 플라즈마 채널인 "펨토초 광학 필라멘트"를 캐리어로 사용합니다. 이는 자연적인 원격 생성 능력을 가지며 높은 밝기, 좁은 선폭 및 전송이 가능한 장점이 있습니다. 구체적인 방향.따라서 공기 레이저의 발견 이후 이를 대기 원격탐사 분야에 적용하는 것은 국내외 연구자들로부터 큰 주목을 받고 있다.하지만 이 새로운 "공기 레이저"를 어떻게 사용하여 대기를 정확하게 "진단"할 수 있을까요?중국과학원 상하이 광학 및 기계 연구소 산하 인세 필드 레이저 물리학 국가 핵심 연구소 연구진이 이에 대한 답을 내놓았습니다.연구팀은 공기 레이저를 이용한 간섭성 라만 산란 기술을 보고하고 대기 중 온실가스인 CO2와 SF6의 '분자 지문'을 성공적으로 기록했으며, 대기 농도 3PPM만큼 낮은 농도에서도 온실가스를 검출하는 데 성공했습니다. 여러 구성 요소를 동시에 측정하고 CO2 동위원소 분해능을 측정하는 기술의 능력.
대기 오염물질과 생화학 작용제에 대한 고감도 원격 탐지는 환경 과학과 국방 안보에 매우 중요합니다.초강력 및 초단거리 레이저 기술의 급속한 발전은 원격 광학 원격 감지를 위한 강력한 도구를 제공합니다.한편, 고에너지 펨토초 레이저 필라멘트는 회절 없이 대기 중에서 장거리에 걸쳐 자유롭게 전송할 수 있습니다.반면, 초연속 백색광, 공기 레이저, 분자 형광 등과 같은 펨토초 레이저 필라미네이션에 의해 유도된 일련의 2차 방사선원은 대기 원격 탐사를 위한 자연스러운 원격 "프로브"를 제공합니다.따라서 초고속 레이저를 기반으로 한 광학 원격탐사 기술은 지난 20년간 많은 관심을 받아왔다.최근 몇 년 동안 공기 레이저의 발견과 광범위한 연구는 초고속 광학 원격 감지에 새로운 활력을 불어넣었습니다.유비쿼터스 대기를 이득 매체로 사용하고 펨토초 레이저에 의해 생성된 플라즈마 채널을 캐리어로 사용하는 공기 레이저는 고강도, 좁은 스펙트럼, 우수한 공간 지향성 및 펌프 빔과 자연스럽게 공존하는 장점을 갖고 있어 이상적인 "프로브"입니다. ” 대기 감지용입니다.그러나 대기 탐지를 위한 새로운 도구로 "공기 레이저"를 사용하는 것은 여전히 원리, 방법, 감도 및 안정성 면에서 큰 과제에 직면해 있습니다.
중국과학원 상하이광학기계연구소 고전자장 레이저 물리학 국가 핵심 연구소 연구팀은 "공기 레이저" 현상이 유도된 이후 고전장 물리학과 공기 레이저의 원격 감지 응용 연구에 전념해 왔습니다. 고자장 이온화에 의한 방법은 2011년 세계에서 처음 보고되었다[Phys.Rev.A 84, 051802(2011)].최근에는 공기 레이저를 이용한 고감도 코히어런트 라만 분광법을 개발해 대기 온실가스 농도의 정량적 검출, 여러 성분의 동시 검출, CO2 동위원소 식별이 가능하며 검출 감도는 최대 0.03%, 신호 지터는 최소 수준이다. 최대 2%.관련 연구는 Air-Lasing-Assisted Coherent Raman Spectroscopy를 이용한 고감도 가스 감지에 관한 Ultrafast Science에 게재되었습니다.
공기 레이저 보조 응집성 라만 분광법의 기본 원리는 그림 1에 나와 있습니다. 한편으로는 펨토초 레이저와 공기 사이의 극도의 비선형 상호 작용은 공기 분자의 광학적 이득을 자극하고 1000배 이상의 시드 증폭을 실현합니다. 파장 428nm, 선폭 13cm-1의 질소 이온 공기 레이저를 생성합니다.동시에, 펨토초 레이저는 대기 중에 비선형적으로 전송하여 스펙트럼 대역폭을 3800cm-1까지 확장합니다. 이는 입사 스펙트럼보다 한 자릿수 이상 넓고 대부분의 오염 물질 분자의 응집성 라만 진동을 자극하기에 충분합니다. 그리고 대기 중의 온실가스.공기 레이저가 일관성있게 진동하는 분자를 만나면 일관성 있는 라만 산란이 효과적으로 생성됩니다.응집성 라만 신호와 "라만 지문"으로 알려진 공기 레이저 사이의 주파수 이동을 기록함으로써 분자의 "식별 정보"(화학적 구성)를 학습할 수 있습니다.
그림 1. 공기 레이저 보조 간섭성 라만 산란 기술의 기본 원리: (a) 공기 레이저 및 간섭성 라만 산란의 생성 메커니즘에 대한 개략도;(b) 확장된 펌프 광 스펙트럼과 원래 스펙트럼 간의 비교;(c) 공중 레이저의 스펙트럼 및 공간 분포.
공기 레이저 보조 응집성 라만 분광법은 펨토초 레이저와 공기 레이저의 이중 장점을 결합합니다. 펨토초 레이저는 넓은 스펙트럼과 짧은 펄스 폭을 가지며 동시에 많은 가스 분자의 응집성 진동을 일으킬 수 있습니다.공기 레이저의 좁은 스펙트럼은 스펙트럼 분해능이 높은 프로브로 사용될 수 있으며, 이를 통해 다양한 분자의 라만 지문을 효과적으로 구별할 수 있습니다.따라서 이 기술은 다성분 측정 및 화학적 특이성에 대한 요구를 충족할 수 있습니다.본 연구에서는 시드 증폭 및 편광 필터링 기술을 이용하여 간섭성 라만 신호의 신호 대 잡음비를 효과적으로 개선하고, 초연속 백색광 발생으로 인한 배경 잡음 및 신호 지터를 대폭 억제하여 검출 감도 및 안정.연구팀은 공기 레이저를 이용한 간섭성 라만 분광기 기술을 사용해 대기 중 CO2와 SF6의 라만 신호 강도와 해당 가스 농도 사이의 정량적 관계를 측정했습니다.CO2와 SF6의 최소 감지 농도는 각각 0.1%와 0.03%였으며 최소 신호 지터는 2%에 도달했습니다(그림 2).
그림 2. 실험으로 측정한 응집성 라만 신호 강도와 가스 농도 간의 정량적 관계.그림은 최소 농도에서 측정된 CO2 및 SF6의 라만 신호를 보여줍니다.CO2(1388 cm-1 라만 피크) 및 SF6의 최소 감지 농도는 각각 0.1% 및 0.03%입니다.
또한 이 기술은 그림 3(a)-(c)와 같이 공기, CO2 및 SF6의 혼합물에서 동시 다성분 측정에 사용될 수 있으며, 펨토초 레이저 다성분 여기 및 공기 레이저 다성분 분해능의 이점을 누릴 수 있습니다.더 중요한 것은 그림 3(d)에 표시된 것처럼 공기 레이저 보조 응집성 라만 분광법을 사용하여 12CO2와 13CO2 동위원소 가스를 효과적으로 구별할 수 있다는 것입니다.
그림 3. (a) 공기 중 0.5% 농도의 CO2, (b) 0.1% 농도의 SF6, (c) 0.5% 농도의 CO2 및 0.1% 농도의 SF6의 라만 신호 측정 공기 레이저를 이용한 응집성 라만 분광법;(d) 12CO2 및 13CO2의 라만 신호(둘 다 공기 중 0.4% 농도)
요약 및 전망
펨토초 레이저와 공기 레이저의 장점을 결합한 공기 레이저 보조 응집성 라만 분광법은 공기 중 일반적인 온실가스 농도를 고감도로 검출하는 데 사용될 수 있을 뿐만 아니라 다성분 측정 및 동위원소 분해능도 갖추고 있습니다. .각종 오염물질과 온실가스의 상관관계 측정과 CO2 동위원소의 검출은 대기오염의 근원 추적, 탄소순환 과정 연구, 탄소배출원과 흡수원 확인에 큰 의미가 있으며 본 기술의 중요한 장점이기도 합니다. 기존의 원격 감지 기술보다그러나 대기 중 미량 오염물질을 고정밀도로 측정하려면 검출 감도를ppm, 심지어 ppb 수준으로 높이고 검출 거리를 실험실 규모에서 킬로미터 규모로 확장해야 합니다.고주파, 고에너지 펨토초 레이저 기술과 고감도 감지 기술의 혁신과 개발을 통해 이 기술은 감지 거리와 감도가 크게 향상되고 대기 감지의 실제 적용 요구 사항을 충족하며 국가 "이중 탄소" 전략.
저자는 Shao를 소개했습니다.
Zhihao Zhang(제1저자)은 상하이 과학기술대학교와 중국과학원 상하이 광학기계연구소에서 공동으로 교육을 받은 박사과정생입니다.그의 연구 관심분야는 물질과의 펨토초 레이저 상호작용입니다.그는 Ultrafast Science 및 Science Bulletin과 같은 저널에 9편의 논문을 발표했습니다.
Fangbo Zhang(공동 제1저자)은 중국과학원 상하이 광학 컴퓨터 연구소의 박사 과정 학생입니다.그의 연구 관심분야는 고자장 초고속 광학과 비선형 분광학입니다.그는 Opt.Lett., Phys.에 3편의 학술 논문을 발표했습니다.Rev.A 및 기타 저널의 제1저자 및 공동 제1저자.그는 상하이 광학 기계 연구소에서 우수 학생 장학금과 우수 학생 명예를 받았습니다.
제1저자/교신저자로 Phys Rev. Lett., Science Bulletin 등에 38편의 논문을 게재하였고, 그의 연구 성과는 “중국 광학 분야의 중요한 성과”, Rao Yutai Basic Optics Award 및 표지 기사로 선정되었습니다.공기 레이저 방향의 원본 작업은 거의 200번 인용되었습니다.건국위원회의 '우수청년' 사업의 지원을 받아 상하이 우수학술지도자, 상하이 청년일류인재, 상하이 청년과학기술스타로 선정됐다.Laser China의 편집위원이자 Ultrafast Science Youth 편집위원입니다.
Cheng Ya(교신저자)는 중국과학원 상하이광학기계연구소 연구원이자 화동사범대학 물리전자과학과 교수이다.그는 주로 초미세 비선형 광학 및 레이저 마이크로 나노 제조 연구에 참여하고 있습니다.그는 200편 이상의 논문을 발표했고 10,000회 이상 인용되었으며 H 인자는 50 이상입니다. 그는 국립과학재단(National Science Foundation for Outstanding Young People)의 후원을 100회 이상 받았습니다.그는 국가 973 계획 프로젝트와 핵심 연구 개발 계획 프로젝트의 수석 과학자를 역임했습니다.그는 중국어 논문 1권, 영어 논문 5권을 출판했습니다.그는 미국광학회 회원, 영국물리학회 회원, 중국광학회 회원입니다.
쉬즈잔(교신저자)은 중국과학원 상하이광학기계연구소 연구원, 중국과학원 원사, 제3세계과학원 회원이다.그는 중국 관성 제한 레이저 융합 분야의 초기 리더 중 한 명이며, 중국 초강력 및 초단거리 레이저 과학과 강력한 장 물리학이라는 새로운 분야의 선구자입니다.그는 Shanghai Optical Machinery Institute의 이사와 Chinese Optical Society의 부회장을 역임했습니다.그는 오랫동안 레이저 융합 연구를 주도하며 선구적이고 뛰어난 공헌을 했다.강렬한 레이저와 물질 사이의 상호 작용에 대한 중요한 첨단 연구에서 체계적인 과학적 발견을 이루어냈습니다.세계 최초로 리튬 및 나트륨 유사 이온 방식으로 8개의 새로운 파장의 X선 레이저를 얻었으며, 가장 짧은 파장은 46.8Angs에 도달했습니다.중국에서 초초단거리 레이저 과학과 강력한 장 물리학의 새로운 분야를 개척하고 획기적인 성과를 거두었습니다.첫 번째 수상자로서 국가과학기술진보상 1등상, 국가자연과학상 2등상 2회, 국가발명상 2등상 1회, 중국과학원 자연과학원 1등상 4회를 수상하였다. 수상 및 과학기술진보상, 상하이 과학기술진보상, 자연과학상 2등상 등 1996년에는 상하이 과학기술 공로상을 수상했습니다.1998년 과학 및 기술 진보에 대한 He Liang Ho Li 재단 상을 받았습니다. 2006년에는 초고속 및 강렬한 레이저 과학에 관한 국제 회의에서 "레이저 과학에 대한 뛰어난 공헌"으로 금메달을 수상했습니다.
게시 시간: 2023년 3월 9일