Воздушная генерация представляет собой когерентное излучение, генерируемое безрезонаторным усилением за счет основного компонента воздуха или его производных в качестве усиливающей среды.В качестве носителя используется «фемтосекундная оптическая нить», низкотемпературный плазменный канал, генерируемый высокоэнергетическим фемтосекундным лазерным импульсом, который обладает естественной способностью удаленной генерации и обладает преимуществами высокой яркости, узкой ширины линии и передачи в конкретное направление.Поэтому с момента открытия воздушного лазера его применение в области дистанционного зондирования атмосферы привлекло большое внимание исследователей в стране и за рубежом.Однако как использовать этот новый «воздушный лазер» для точной «диагностики» атмосферы?Ответ на этот вопрос нашла группа исследователей из Государственной лаборатории лазерной физики внутреннего поля Шанхайского института оптики и механики Китайской академии наук.Команда сообщила о методе когерентного комбинационного рассеяния света с помощью воздушного лазера и успешно зарегистрировала «молекулярный отпечаток» парниковых газов CO2 и SF6 в атмосфере, добилась обнаружения парниковых газов при концентрациях в атмосфере всего 3 ppm и продемонстрировала способность метода одновременного измерения нескольких компонентов и разрешение изотопов CO2.
Высокочувствительное дистанционное обнаружение загрязнителей воздуха и биохимических агентов очень важно для науки об окружающей среде и национальной оборонной безопасности.Быстрое развитие сверхсильных и сверхкоротких лазерных технологий обеспечивает мощный инструмент для дистанционного оптического дистанционного зондирования.С одной стороны, нити фемтосекундного лазера высокой энергии могут свободно передаваться в атмосфере на большие расстояния без дифракции.С другой стороны, ряд источников вторичного излучения, индуцированных фемтосекундным лазерным филированием, таких как сверхнепрерывный белый свет, воздушный лазер, молекулярная флуоресценция и т. д., представляют собой естественный дистанционный «зонд» для дистанционного зондирования атмосферы.Поэтому технология оптического дистанционного зондирования Земли на основе сверхбыстрого лазера в последние два десятилетия привлекла большое внимание.В последние годы открытие и обширные исследования воздушного лазера вдохнули новую жизнь в сверхбыстрое оптическое дистанционное зондирование.Воздушный лазер, который использует повсеместную атмосферу в качестве усиливающей среды, а плазменный канал, генерируемый фемтосекундным лазером, в качестве несущей, обладает преимуществами высокой интенсивности, узкого спектра, хорошей пространственной направленности и естественного сосуществования с лучом накачки, что делает его идеальным «зондирующим лучом». » для атмосферного обнаружения.Однако использование «воздушного лазера» в качестве нового инструмента для обнаружения атмосферы по-прежнему сталкивается с серьезными проблемами в принципе, методе, чувствительности и стабильности.
Исследовательская группа Государственной ключевой лаборатории лазерной физики сильного поля Шанхайского института оптики и механики Китайской академии наук занимается исследованием физики сильного поля и применением воздушного лазера для дистанционного зондирования, поскольку явление «воздушного лазера» вызывает явление ионизацией в сильном поле впервые было зарегистрировано в мире в 2011 г. [Phys.Ред.А 84, 051802 (2011)].Недавно команда разработала высокочувствительный метод когерентной рамановской спектроскопии с использованием воздушного лазера, который позволяет количественно обнаруживать концентрации парниковых газов в атмосфере, одновременно обнаруживать несколько компонентов и идентифицировать изотопы CO2 с чувствительностью обнаружения до 0,03% и минимальным джиттером сигнала. до 2%.Соответствующее исследование было опубликовано в журнале Ultrafast Science по высокочувствительному обнаружению газа с помощью когерентной рамановской спектроскопии с использованием воздушной генерации.
Основной принцип когерентной рамановской спектроскопии с использованием воздушного лазера показан на рисунке 1. Чрезвычайно нелинейное взаимодействие между фемтосекундным лазером и воздухом, с одной стороны, возбуждает оптическое усиление молекул воздуха, реализует затравочное усиление более чем в 1000 раз и генерирует воздушный лазер на ионах азота с длиной волны 428 нм и шириной линии 13 см-1.В то же время фемтосекундный лазер передает нелинейно в атмосфере, расширяя полосу спектра до 3800 см-1, что более чем на порядок шире падающего спектра и достаточно для возбуждения когерентных комбинационных колебаний большинства молекул загрязнителей. и парниковые газы в воздухе.Когда воздушный лазер сталкивается с когерентно колеблющимися молекулами, эффективно генерируется когерентное комбинационное рассеяние.Записывая сдвиг частоты между когерентным рамановским сигналом и воздушным лазером, известный как «рамановский отпечаток», можно узнать «информацию об идентичности» молекулы – ее химический состав.
Рисунок 1. Основной принцип метода когерентного комбинационного рассеяния света с воздушным лазером: (а) Принципиальная схема механизма генерации воздушного лазера и когерентного комбинационного рассеяния света;(б) Сравнение расширенного спектра света накачки и исходного спектра;(в) Спектральное и пространственное распределение бортовых лазеров.
Когерентная рамановская спектроскопия с использованием воздушного лазера сочетает в себе двойные преимущества фемтосекундного лазера и воздушного лазера: фемтосекундный лазер имеет широкий спектр и короткую длительность импульса, что может одновременно возбуждать когерентные колебания многих молекул газа.Узкий спектр воздушного лазера можно использовать в качестве зонда с высоким спектральным разрешением, который может эффективно различать рамановские отпечатки пальцев различных молекул.Таким образом, технология может удовлетворить потребности многокомпонентного измерения и химической специфичности.В этом исследовании соотношение сигнал/шум когерентных рамановских сигналов эффективно улучшается за счет использования технологии затравочного усиления и поляризационной фильтрации, а фоновый шум и джиттер сигнала, вызванные генерацией сверхнепрерывного белого света, значительно подавляются, что повышает чувствительность обнаружения и стабильность.Исследовательская группа использовала технологию когерентной рамановской спектроскопии с использованием воздушного лазера для измерения количественной взаимосвязи между интенсивностью рамановского сигнала CO2 и SF6 в атмосфере и соответствующей концентрацией газа.Минимальные обнаруженные концентрации CO2 и SF6 составили 0,1% и 0,03% соответственно, а минимальный джиттер сигнала достигал 2% (рис. 2).
Рисунок 2. Количественная зависимость между интенсивностью когерентного комбинационного рассеяния света, измеренной в эксперименте, и концентрацией газа.На иллюстрации показаны сигналы комбинационного рассеяния CO2 и SF6, измеренные при минимальных концентрациях.Минимальные обнаруживаемые концентрации CO2 (пик комбинационного рассеяния света 1388 см-1) и SF6 составляют 0,1% и 0,03% соответственно.
Кроме того, этот метод можно использовать для одновременных многокомпонентных измерений в смеси воздуха, CO2 и SF6, как показано на рисунках 3(a)-(c), благодаря многокомпонентному возбуждению фемтосекундного лазера и способности многокомпонентного разрешения воздушного лазера.Что еще более важно, когерентная рамановская спектроскопия с помощью воздушного лазера может использоваться для эффективного различения изотопных газов 12CO2 и 13CO2, как показано на рисунке 3(d).
Рис. 3. Рамановские сигналы CO2 (а) в концентрации 0,5% в воздухе, (б) SF6 в концентрации 0,1%, (в) CO2 в концентрации 0,5% и SF6 в концентрации 0,1%, измеренные методом когерентной рамановской спектроскопии с использованием воздушного лазера;(г) Рамановские сигналы 12CO2 и 13CO2, оба при концентрации 0,4% в воздухе.
Резюме и перспектива
Когерентная рамановская спектроскопия с использованием воздушного лазера, сочетающая в себе преимущества фемтосекундного лазера и воздушного лазера, не только может использоваться для высокочувствительного обнаружения концентраций распространенных парниковых газов в воздухе, но также обладает возможностью многокомпонентного измерения и изотопного разрешения. .Корреляционные измерения различных загрязнителей и парниковых газов и обнаружение изотопа CO2 имеют большое значение для отслеживания источника загрязнения атмосферы, изучения процесса углеродного цикла и подтверждения источника и поглотителя выбросов углерода, а также являются важными преимуществами этой технологии. по сравнению с традиционными технологиями дистанционного зондирования.Однако для достижения высокой точности измерения микропримесей в атмосфере необходимо повысить чувствительность обнаружения до уровня ppm или даже ppb, а также расширить расстояние обнаружения от лабораторного масштаба до километрового масштаба.Считается, что благодаря инновациям и разработке высокочастотной, высокоэнергетической фемтосекундной лазерной технологии и технологии обнаружения с высокой чувствительностью эта технология, как ожидается, будет значительно улучшена в расстоянии обнаружения и чувствительности, будет соответствовать практическим требованиям применения атмосферного обнаружения и служить национальная стратегия «двойного углерода».
Автор представил Шао
Чжихао Чжан (первый автор) — докторант, прошедший совместное обучение в Шанхайском университете науки и технологий и Шанхайском институте оптики и машиностроения Китайской академии наук.Его научные интересы – взаимодействие фемтосекундного лазера с веществом.Он опубликовал 9 статей в таких журналах, как Ultrafast Science и Science Bulletin.
Фанбо Чжан (соавтор) — докторант Шанхайского института оптики и компьютеров Китайской академии наук.Его научные интересы включают сверхбыструю оптику высокого поля и нелинейную спектроскопию.Он опубликовал 3 научных статьи в журналах Opt.Lett., Phys.Rev.A и другие журналы в качестве первого автора и соавтора.Он был удостоен стипендии выдающегося студента и награды за заслуги перед студентами Шанхайского института оптики и машиностроения.
В качестве первого/соответствующего автора он опубликовал 38 статей в журналах Phys Rev. Lett., Science Bulletin и т. д., а результаты его исследований были отмечены как «Важные достижения в китайской оптике», премией Рао Ютая в области базовой оптики и титульными статьями.Оригинальная работа в направлении воздушного лазера цитировалась почти 200 раз.Финансируемый проектом «Отличная молодежь» Национального комитета фонда, он был выбран Шанхайским выдающимся академическим руководителем, Шанхайским молодежным первоклассным талантом и Шанхайской молодой звездой науки и технологий.Член редакционного совета журналов Laser China и Ultrafast Science Youth, член редакционного совета.
Чэн Я (автор-корреспондент) — научный сотрудник Шанхайского института оптики и машиностроения Китайской академии наук и профессор Школы физики и электроники Восточно-Китайского педагогического университета.В основном он занимается исследованиями сверхтонкой нелинейной оптики и лазерным микронанопроизводством.Он опубликовал более 200 статей и более 10 000 цитирований с коэффициентом H более 50. Национальный научный фонд выдающихся молодых людей спонсировал его более 100 раз.Он последовательно работал в качестве главного научного сотрудника проекта Национального плана 973 и основного проекта Плана исследований и разработок.Он опубликовал 1 монографию на китайском языке и 5 монографий на английском языке.Он является членом Оптического общества Америки, членом Британского физического общества и членом Китайского оптического общества.
Сюй Чжи-чжань (автор-корреспондент) — научный сотрудник Шанхайского института оптики и машиностроения Китайской академии наук, академик Китайской академии наук и член Академии наук третьего мира.Он является одним из первых лидеров в области лазерного синтеза с инерционным удержанием в Китае, а также пионером в новой области науки о сверхсильных и сверхкоротких лазерах и физике сильного поля в Китае.Он занимал должность директора Шанхайского института оптической техники и вице-президента Китайского оптического общества.Он долгое время руководил исследованиями в области лазерного синтеза и внес новаторский и выдающийся вклад.Он сделал систематические научные открытия в важных передовых исследованиях взаимодействия мощного лазера и материи.Впервые в мире получены 8 рентгеновских лазеров новой длины волны по схемам литий- и натриеподобных ионов, а самая короткая длина волны достигла 46,8 анг.Он открыл в Китае новые области науки о супер-сверхкоротких лазерах и физике сильного поля и добился прорывных достижений.В качестве первого победителя он получил 1 первую премию Национальной премии за прогресс в области науки и технологий, 2 вторых премии Национальной премии в области естественных наук, 1 вторую премию Национальной премии за изобретения, 4 первых премии Китайской академии наук в области естественных наук. Премия и премия за прогресс в области науки и техники, 2 первые премии Шанхайской премии за прогресс в области науки и техники и премии в области естественных наук и т. д. В 1996 году он выиграл Шанхайскую премию за заслуги в области науки и техники.Премия Фонда Хэ Лян Хо Ли за научный и технологический прогресс в 1998 году. В 2006 году он был награжден золотой медалью за «выдающийся вклад в лазерную науку» на Международной конференции по сверхбыстрым и интенсивным лазерам.
Время публикации: 9 марта 2023 г.