laser de ar é a radiação coerente gerada pela amplificação não cavitária através do componente principal do ar ou seus derivados como meio de ganho.Ele usa o “filamento óptico de femtosegundo”, um canal de plasma de baixa temperatura gerado por pulso de laser de femtossegundo de alta energia, como portador, que tem a capacidade natural de geração remota e tem as vantagens de alto brilho, largura de linha estreita e transmissão em um direção específica.Portanto, desde a descoberta do laser aéreo, sua aplicação no campo do sensoriamento remoto atmosférico tem atraído grande atenção de pesquisadores nacionais e estrangeiros.Porém, como usar esse novo “laser aéreo” para “diagnosticar” com precisão a atmosfera?Uma equipe de pesquisadores do Laboratório Estatal de Física de Laser de Campo Innse do Instituto de Óptica e Mecânica de Xangai, Academia Chinesa de Ciências, encontrou a resposta.A equipe relatou uma técnica de espalhamento Raman coerente assistida por laser aéreo e registrou com sucesso a “impressão digital molecular” dos gases de efeito estufa CO2 e SF6 na atmosfera, conseguiu a detecção de gases de efeito estufa em concentrações atmosféricas tão baixas quanto 3 PPM e demonstrou o capacidade da técnica para medição simultânea de múltiplos componentes e resolução de isótopos de CO2.
A detecção remota altamente sensível de poluentes atmosféricos e agentes bioquímicos é muito importante para a ciência ambiental e a segurança da defesa nacional.O rápido desenvolvimento da tecnologia de laser ultraforte e ultracurto fornece uma ferramenta poderosa para sensoriamento remoto óptico remoto.Por um lado, os filamentos do laser de femtosegundo de alta energia podem transmitir livremente na atmosfera por longas distâncias sem difração.Por outro lado, uma série de fontes de radiação secundárias induzidas pela filaminação do laser de femtosegundo, como luz branca supercontínua, laser aéreo, fluorescência molecular, etc., fornecem uma “sonda” remota natural para sensoriamento remoto atmosférico.Portanto, a tecnologia de sensoriamento remoto óptico baseada em laser ultrarrápido tem atraído muita atenção nas últimas duas décadas.Nos últimos anos, a descoberta e a extensa pesquisa do laser aéreo injetaram uma nova vitalidade no sensoriamento remoto óptico ultrarrápido.O laser de ar, que toma a atmosfera onipresente como meio de ganho e o canal de plasma gerado pelo laser de femtosegundo como transportador, tem as vantagens de alta intensidade, espectro estreito, boa diretividade espacial e coexistência natural com feixe de bomba, tornando-o uma “sonda” ideal ”Para detecção atmosférica.No entanto, o uso do “laser aéreo” como uma nova ferramenta para detecção atmosférica ainda enfrenta grandes desafios em princípio, método, sensibilidade e estabilidade.
A equipe de pesquisa do Laboratório Estatal de Física de Laser de Alto Campo, Instituto de Óptica e Mecânica de Xangai, Academia Chinesa de Ciências tem se comprometido com a pesquisa de física de alto campo e aplicação de sensoriamento remoto de laser de ar desde o fenômeno “laser de ar” induzido por ionização de alto campo foi relatado pela primeira vez no mundo em 2011 [Phys.Rev.A 84, 051802 (2011)].Recentemente, a equipe desenvolveu uma técnica de espectroscopia Raman coerente e altamente sensível usando um laser de ar, que permite a detecção quantitativa de concentrações atmosféricas de gases de efeito estufa, detecção simultânea de múltiplos componentes e identificação de isótopos de CO2, com sensibilidade de detecção de até 0,03% e jitter mínimo de sinal. até 2%.A pesquisa relevante foi publicada em Ultrafast Science on High Sensitivity Gas Detection with Air-Lasing-Assisted Coherent Raman Spectroscopia.
O princípio básico da espectroscopia Raman coerente assistida por laser de ar é mostrado na Figura 1. A interação não linear extrema entre o laser de femtosegundo e o ar, por um lado, excita o ganho óptico das moléculas de ar, realiza a amplificação da semente de mais de 1000 vezes, e gera laser de ar de íon nitrogênio com comprimento de onda de 428 nm e largura de linha de 13 cm-1.Ao mesmo tempo, o laser de femtosegundo transmite de forma não linear na atmosfera, estendendo a largura de banda do espectro para 3.800 cm-1, que é mais de uma ordem de magnitude maior que o espectro incidente, e é suficiente para excitar a vibração Raman coerente da maioria das moléculas poluentes. e gases de efeito estufa no ar.Quando o laser de ar encontra moléculas que vibram coerentemente, o espalhamento Raman coerente é efetivamente gerado.Ao registar a mudança de frequência entre o sinal Raman coerente e o laser aéreo, conhecido como “impressão digital Raman”, a “informação de identidade” da molécula – a sua composição química – pode ser aprendida.
Figura 1. O princípio básico da técnica de espalhamento Raman coerente assistida por laser de ar: (a) Diagrama esquemático do mecanismo de geração de laser de ar e espalhamento Raman coerente;(b) Comparação entre o espectro ampliado de luz da bomba e o espectro original;(c) Distribuição espectral e espacial de lasers aerotransportados.
A espectroscopia Raman coerente assistida por laser de ar combina as vantagens duplas do laser de femtosegundo e do laser de ar: o laser de femtosegundo tem amplo espectro e largura de pulso curta, que pode excitar simultaneamente a vibração coerente de muitas moléculas de gás.O espectro estreito do laser de ar pode ser usado como uma sonda com alta resolução espectral, que pode distinguir com eficácia as impressões digitais Raman de diferentes moléculas.Portanto, a tecnologia pode atender às necessidades de medição multicomponente e especificidade química.Neste estudo, a relação sinal-ruído de sinais Raman coerentes é efetivamente melhorada usando amplificação de sementes e tecnologia de filtragem de polarização, e o ruído de fundo e a instabilidade do sinal causados pela geração supercontínua de luz branca são significativamente suprimidos, melhorando assim a sensibilidade de detecção e estabilidade.A equipe de pesquisa usou tecnologia de espectroscopia Raman coerente assistida por laser de ar para medir a relação quantitativa entre a intensidade do sinal Raman de CO2 e SF6 na atmosfera e a concentração de gás correspondente.As concentrações mínimas detectadas de CO2 e SF6 foram de 0,1% e 0,03%, respectivamente, e o jitter mínimo do sinal atingiu 2% (Figura 2).
Figura 2. Relação quantitativa entre a intensidade do sinal Raman coerente medida pelo experimento e a concentração de gás.A ilustração mostra os sinais Raman de CO2 e SF6 medidos em concentrações mínimas.As concentrações mínimas detectadas de CO2 (pico Raman de 1388 cm-1) e SF6 são 0,1% e 0,03%, respectivamente
Além disso, a técnica pode ser usada para medições multicomponentes simultâneas em uma mistura de ar, CO2 e SF6, como mostrado na Figura 3 (a) - (c), beneficiando-se da excitação multicomponente do laser de femtosegundo e da capacidade de resolução multicomponente do laser de ar.Mais importante ainda, a espectroscopia Raman coerente assistida por laser de ar pode ser usada para distinguir efetivamente entre os gases isotópicos 12CO2 e 13CO2, como mostrado na Figura 3 (d).
Figura 3. Sinais Raman de (a) CO2 a uma concentração de 0,5% no ar, (b) SF6 a uma concentração de 0,1%, (c) CO2 a uma concentração de 0,5% e SF6 a uma concentração de 0,1%, medidos por espectroscopia Raman coerente assistida por laser aéreo;(d) Sinais Raman de 12CO2 e 13CO2, ambos com concentração de 0,4% no ar
Resumo e prospecto
A espectroscopia Raman coerente assistida por laser de ar, que combina as vantagens do laser de femtosegundo e do laser de ar, não só pode ser usada para detecção altamente sensível de concentrações comuns de gases de efeito estufa no ar, mas também tem a capacidade de medição multicomponente e resolução de isótopos .A medição da correlação de vários poluentes e gases de efeito estufa e a detecção do isótopo CO2 são de grande importância para rastrear a fonte da poluição atmosférica, estudar o processo do ciclo do carbono e confirmar a fonte e o sumidouro das emissões de carbono, sendo também vantagens importantes desta tecnologia. em relação à tecnologia tradicional de sensoriamento remoto.No entanto, para obter medições de alta precisão de vestígios de poluentes na atmosfera, é necessário aumentar a sensibilidade de detecção para ppm ou mesmo ppb e expandir a distância de detecção da escala laboratorial para a escala quilométrica.Acredita-se que através da inovação e desenvolvimento de tecnologia de laser de femtosegundo de alta frequência e alta energia e tecnologia de detecção de alta sensibilidade, espera-se que esta tecnologia seja significativamente melhorada na distância e sensibilidade de detecção, atenda aos requisitos práticos de aplicação de detecção atmosférica e atenda ao estratégia nacional de “duplo carbono”.
O autor apresentou Shao
Zhihao Zhang (primeiro autor) é doutorando formado conjuntamente pela Universidade de Ciência e Tecnologia de Xangai e pelo Instituto de Óptica e Máquinas de Xangai, Academia Chinesa de Ciências.Seus interesses de pesquisa são a interação do laser de femtosegundo com a matéria.Publicou 9 artigos em revistas como Ultrafast Science e Science Bulletin.
Fangbo Zhang (co-autor) é doutorando no Instituto de Óptica e Computação de Xangai, Academia Chinesa de Ciências.Seus interesses de pesquisa incluem óptica ultrarrápida de alto campo e espectroscopia não linear.Publicou 3 artigos acadêmicos em Opt.Lett., Phys.Rev.A e outros periódicos como primeiro autor e coautor.Ele recebeu uma bolsa de estudos de destaque e honra de estudante de mérito do Instituto de Óptica e Máquinas de Xangai.
Como primeiro autor/correspondente, ele publicou 38 artigos em Phys Rev. Lett., Science Bulletin, etc., e seus resultados de pesquisa foram selecionados como “Important Achievements in Chinese Optics”, Rao Yutai Basic Optics Award e artigos de capa.O trabalho original na direção do laser aéreo foi citado quase 200 vezes.Financiado pelo projeto “Excelente Juventude” do Comitê da Fundação Nacional, ele foi selecionado como Excelente Líder Acadêmico de Xangai, Talento de alto nível da Juventude de Xangai e Jovem Estrela de Ciência e Tecnologia de Xangai.Membro do conselho editorial da Laser China e membro do conselho editorial da Ultrafast Science Youth.
Cheng Ya (autor correspondente) é pesquisador do Instituto de Óptica e Máquinas de Xangai, da Academia Chinesa de Ciências, e professor da Escola de Física e Ciência Eletrônica da Universidade Normal da China Oriental.Ele está principalmente envolvido na pesquisa de óptica não linear ultrafina e fabricação de micro-nano laser.Publicou mais de 200 artigos e mais de 10.000 citações, com fator H superior a 50. Foi patrocinado pela National Science Foundation for Outstanding Young People por mais de 100 vezes.Ele atuou sucessivamente como cientista-chefe do projeto do Plano Nacional 973 e do projeto-chave do Plano de pesquisa e desenvolvimento.Publicou 1 monografia em chinês e 5 monografias em inglês.Ele é membro da Optical Society of America, membro da British Physical Society e membro da Chinese Optical Society.
Xu Zhi-zhan (autor correspondente) é pesquisador do Instituto de Óptica e Máquinas de Xangai, da Academia Chinesa de Ciências, Acadêmico da Academia Chinesa de Ciências e membro da Academia de Ciências do Terceiro Mundo.Ele é um dos primeiros líderes no campo da fusão a laser por confinamento inercial na China e um pioneiro no novo campo da ciência do laser superforte e ultracurto e da física de campo forte na China.Ele atuou como diretor do Shanghai Optical Machinery Institute e vice-presidente da Chinese Optical Society.Ele presidiu a pesquisa de fusão a laser por muito tempo e fez contribuições pioneiras e notáveis.Fez descobertas científicas sistemáticas em importantes pesquisas de fronteira sobre a interação entre o laser intenso e a matéria.Pela primeira vez no mundo, 8 novos lasers de raios X de comprimento de onda foram obtidos por esquemas de íons semelhantes ao lítio e ao sódio, e o comprimento de onda mais curto atingiu 46,8 angs.Abriu novos campos da ciência do laser super supercurto e da física de campo forte na China e obteve conquistas inovadoras.Como primeiro vencedor, ele ganhou 1 primeiro prêmio do Prêmio Nacional de Progresso em Ciência e Tecnologia, 2 segundos prêmios do Prêmio Nacional de Ciências Naturais, 1 segundo prêmio do Prêmio Nacional de Invenção, 4 primeiros prêmios da Academia Chinesa de Ciências Ciências Naturais Prêmio e Prêmio de Progresso de Ciência e Tecnologia, 2 primeiros prêmios do Prêmio de Progresso de Ciência e Tecnologia de Xangai e Prêmio de Ciências Naturais, etc. Em 1996, ele ganhou o Prêmio de Mérito de Ciência e Tecnologia de Xangai.Prêmio da Fundação He Liang Ho Li para o Progresso Científico e Tecnológico em 1998. Em 2006, ele recebeu a Medalha de Ouro por “Contribuição Extraordinária para a Ciência do Laser” na Conferência Internacional sobre Ciência do Laser Ultrarrápida e Intensa.
Horário da postagem: 09/03/2023