เลเซอร์อากาศ: “หัววัดระยะไกล” สำหรับการตรวจจับก๊าซเรือนกระจกและไอโซโทป

การปล่อยอากาศคือการแผ่รังสีที่สอดคล้องกันซึ่งเกิดจากการขยายแบบไม่มีโพรงผ่านส่วนประกอบหลักของอากาศหรืออนุพันธ์ของอากาศในฐานะตัวกลางที่ได้รับใช้ "เส้นใยแสง femtosecond" ซึ่งเป็นช่องพลาสมาอุณหภูมิต่ำที่สร้างขึ้นโดยพัลส์เลเซอร์ femtosecond พลังงานสูงเป็นตัวพาซึ่งมีความสามารถในการสร้างระยะไกลตามธรรมชาติ และมีข้อดีคือความสว่างสูง ความกว้างของเส้นแคบและการส่งผ่านใน ทิศทางเฉพาะดังนั้น นับตั้งแต่การค้นพบเลเซอร์อากาศ การประยุกต์ใช้ในด้านการสำรวจระยะไกลในบรรยากาศจึงได้รับความสนใจอย่างมากจากนักวิจัยทั้งในและต่างประเทศอย่างไรก็ตาม จะใช้ “เลเซอร์อากาศ” ใหม่นี้เพื่อ “วินิจฉัย” บรรยากาศได้อย่างแม่นยำได้อย่างไรทีมนักวิจัยจากห้องปฏิบัติการหลักของฟิสิกส์เลเซอร์สนาม Innse ที่สถาบันทัศนศาสตร์และกลศาสตร์เซี่ยงไฮ้ สถาบันวิทยาศาสตร์จีน ได้ค้นพบคำตอบดังกล่าวทีมงานรายงานเกี่ยวกับเทคนิคการกระเจิงแบบรามานโดยใช้เลเซอร์ช่วยในอากาศ และบันทึก "ลายนิ้วมือระดับโมเลกุล" ของก๊าซเรือนกระจก CO2 และ SF6 ในชั้นบรรยากาศได้สำเร็จ สามารถตรวจจับก๊าซเรือนกระจกในความเข้มข้นในชั้นบรรยากาศต่ำถึง 3 PPM และแสดงให้เห็นว่า ความสามารถของเทคนิคในการวัดส่วนประกอบหลายรายการและความละเอียดไอโซโทปของ CO2 พร้อมกัน

การตรวจจับมลพิษทางอากาศและสารชีวเคมีจากระยะไกลที่มีความไวสูงเป็นสิ่งสำคัญมากสำหรับวิทยาศาสตร์สิ่งแวดล้อมและความมั่นคงด้านการป้องกันประเทศการพัฒนาอย่างรวดเร็วของเทคโนโลยีเลเซอร์ที่มีความแข็งแกร่งเป็นพิเศษและสั้นเป็นพิเศษทำให้เป็นเครื่องมืออันทรงพลังสำหรับการตรวจจับระยะไกลด้วยแสงระยะไกลในด้านหนึ่ง เส้นใยเลเซอร์ femtosecond พลังงานสูงสามารถส่งผ่านอย่างอิสระในชั้นบรรยากาศในระยะทางไกลโดยไม่มีการเลี้ยวเบนในทางกลับกัน ชุดของแหล่งกำเนิดรังสีทุติยภูมิที่เกิดจากการเกิดฟิลามิเนชันของเลเซอร์เฟมโตวินาที เช่น แสงสีขาวต่อเนื่องยิ่งยวด เลเซอร์อากาศ การเรืองแสงของโมเลกุล ฯลฯ ทำให้เกิด "โพรบ" ระยะไกลตามธรรมชาติสำหรับการสำรวจบรรยากาศระยะไกลดังนั้นเทคโนโลยีการรับรู้ระยะไกลด้วยแสงที่ใช้เลเซอร์ความเร็วสูงพิเศษจึงได้รับความสนใจอย่างมากในช่วงสองทศวรรษที่ผ่านมาในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา การค้นพบและการวิจัยอย่างกว้างขวางเกี่ยวกับเลเซอร์อากาศได้เพิ่มพลังใหม่ให้กับการตรวจจับระยะไกลด้วยแสงที่เร็วเป็นพิเศษเลเซอร์อากาศ ซึ่งใช้บรรยากาศที่แพร่หลายเป็นตัวกลางในการขยายและช่องพลาสมาที่สร้างโดยเลเซอร์เฟมโตวินาทีเป็นตัวพา มีข้อดีคือความเข้มสูง สเปกตรัมแคบ มีทิศทางเชิงพื้นที่ที่ดี และอยู่ร่วมกันตามธรรมชาติกับลำแสงปั๊ม ทำให้เป็น "โพรบในอุดมคติ" ” สำหรับการตรวจจับบรรยากาศอย่างไรก็ตาม การใช้ "เลเซอร์อากาศ" เป็นเครื่องมือใหม่สำหรับการตรวจจับบรรยากาศยังคงเผชิญกับความท้าทายที่ยิ่งใหญ่ในด้านหลักการ วิธีการ ความไว และความเสถียร

ทีมวิจัยของห้องปฏิบัติการหลักของ State Key Laboratory of High Field Laser Physics, Shanghai Institute of Optics and Mechanics, Chinese Academy of Sciences มุ่งมั่นที่จะวิจัยฟิสิกส์สนามสูงและการประยุกต์ใช้การรับรู้ระยะไกลของเลเซอร์อากาศนับตั้งแต่เกิดปรากฏการณ์ "เลเซอร์อากาศ" โดยไอออไนเซชันสนามสูงได้รับการรายงานครั้งแรกในโลกในปี 2554 [ฟิสิกส์ฉบับที่ 84, 051802 (2011)].เมื่อเร็วๆ นี้ ทีมงานได้พัฒนาเทคนิค Raman Spectroscopy ที่มีความไวสูงซึ่งเชื่อมโยงกันโดยใช้เลเซอร์อากาศ ซึ่งช่วยให้สามารถตรวจจับเชิงปริมาณของความเข้มข้นของก๊าซเรือนกระจกในชั้นบรรยากาศ การตรวจจับส่วนประกอบหลายรายการพร้อมกัน และการระบุไอโซโทป CO2 โดยมีความไวในการตรวจจับสูงถึง 0.03% และสัญญาณกระวนกระวายใจน้อยที่สุด มากถึง 2%งานวิจัยที่เกี่ยวข้องได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Ultrafast Science on High Sensitivity Gas Detection with Air-Lasing-Assisted Coherent Raman Spectroscopy

หลักการพื้นฐานของสเปกโทรสโกปีรามันที่เชื่อมโยงกันโดยใช้เลเซอร์อากาศช่วยนั้นแสดงไว้ในรูปที่ 1 ปฏิสัมพันธ์แบบไม่เชิงเส้นขั้นรุนแรงระหว่างเลเซอร์เฟมโตวินาทีกับอากาศ ในทางหนึ่ง จะกระตุ้นการรับแสงของโมเลกุลอากาศ ทำให้ทราบถึงการขยายของเมล็ดมากกว่า 1,000 ครั้ง และ สร้างเลเซอร์อากาศไนโตรเจนไอออนที่มีความยาวคลื่น 428 นาโนเมตร และความกว้างเส้นตรง 13 ซม.-1ในเวลาเดียวกัน เลเซอร์เฟมโตวินาทีส่งสัญญาณแบบไม่เชิงเส้นในชั้นบรรยากาศ โดยขยายแบนด์วิธสเปกตรัมเป็น 3,800 cm-1 ซึ่งกว้างกว่าสเปกตรัมตกกระทบมากกว่าหนึ่งลำดับขนาด และเพียงพอที่จะกระตุ้นการสั่นสะเทือนรามานที่สอดคล้องกันของโมเลกุลมลพิษส่วนใหญ่ และก๊าซเรือนกระจกในอากาศเมื่อเลเซอร์อากาศพบกับโมเลกุลที่มีการสั่นสะเทือนอย่างต่อเนื่อง การกระเจิงของรามานที่สอดคล้องกันจะถูกสร้างขึ้นอย่างมีประสิทธิภาพด้วยการบันทึกการเปลี่ยนแปลงความถี่ระหว่างสัญญาณรามานที่สอดคล้องกันและเลเซอร์อากาศที่เรียกว่า "ลายนิ้วมือรามาน" จึงสามารถเรียนรู้ "ข้อมูลประจำตัว" ของโมเลกุลซึ่งเป็นองค์ประกอบทางเคมีของโมเลกุลได้

รูปที่ 1 หลักการพื้นฐานของเทคนิคการกระเจิงของรามานด้วยเลเซอร์อากาศช่วย: (a) แผนผังของกลไกการสร้างเลเซอร์อากาศและการกระเจิงของรามานที่สอดคล้องกัน;(b) การเปรียบเทียบระหว่างสเปกตรัมแสงปั๊มที่กว้างขึ้นกับสเปกตรัมดั้งเดิม(c) การกระจายสเปกตรัมและเชิงพื้นที่ของเลเซอร์ในอากาศ

Raman spectroscopy ที่เชื่อมโยงกันโดยใช้เลเซอร์ช่วยในอากาศผสมผสานข้อดีสองประการของเลเซอร์ femtosecond และเลเซอร์อากาศ: เลเซอร์ femtosecond มีสเปกตรัมกว้างและความกว้างของพัลส์สั้น ซึ่งสามารถกระตุ้นการสั่นสะเทือนที่เชื่อมโยงกันของโมเลกุลก๊าซจำนวนมากไปพร้อมๆ กันเลเซอร์อากาศสเปกตรัมแคบสามารถใช้เป็นโพรบที่มีความละเอียดสเปกตรัมสูง ซึ่งสามารถแยกแยะลายนิ้วมือรามันของโมเลกุลต่างๆ ได้อย่างมีประสิทธิภาพดังนั้นเทคโนโลยีนี้จึงสามารถตอบสนองความต้องการของการวัดองค์ประกอบหลายองค์ประกอบและความจำเพาะทางเคมีได้ในการศึกษานี้ อัตราส่วนสัญญาณต่อเสียงรบกวนของสัญญาณรามานที่สอดคล้องกันได้รับการปรับปรุงอย่างมีประสิทธิภาพโดยใช้เทคโนโลยีการขยายเมล็ดพันธุ์และการกรองโพลาไรเซชัน และเสียงพื้นหลังและความกระวนกระวายใจของสัญญาณที่เกิดจากการสร้างแสงสีขาวต่อเนื่องยิ่งยวดจะถูกระงับอย่างมีนัยสำคัญ จึงปรับปรุงความไวในการตรวจจับและ ความมั่นคงทีมวิจัยใช้เทคโนโลยี Raman spectroscopy ที่ใช้เลเซอร์ช่วยในอากาศเพื่อวัดความสัมพันธ์เชิงปริมาณระหว่างความเข้มของสัญญาณ Raman ของ CO2 และ SF6 ในบรรยากาศและความเข้มข้นของก๊าซที่สอดคล้องกันความเข้มข้นที่ตรวจพบขั้นต่ำของ CO2 และ SF6 คือ 0.1% และ 0.03% ตามลำดับ และความกระวนกระวายใจของสัญญาณขั้นต่ำถึง 2% (รูปที่ 2)

รูปที่ 2 ความสัมพันธ์เชิงปริมาณระหว่างความเข้มของสัญญาณรามันที่สอดคล้องกันซึ่งวัดโดยการทดลองและความเข้มข้นของก๊าซภาพประกอบแสดงสัญญาณรามันของ CO2 และ SF6 ที่วัดที่ความเข้มข้นขั้นต่ำความเข้มข้นที่ตรวจพบขั้นต่ำของ CO2 (1388 cm-1 Raman Peak) และ SF6 คือ 0.1% และ 0.03% ตามลำดับ

นอกจากนี้ เทคนิคนี้สามารถใช้สำหรับการวัดหลายองค์ประกอบพร้อมกันในส่วนผสมของอากาศ, CO2 และ SF6 ดังแสดงในรูปที่ 3(a)-(c) ซึ่งได้ประโยชน์จากการกระตุ้นด้วยเลเซอร์หลายองค์ประกอบด้วย femtosecond และความสามารถของความละเอียดขององค์ประกอบหลายองค์ประกอบด้วยเลเซอร์อากาศที่สำคัญกว่านั้น Raman spectroscopy ที่ใช้เลเซอร์ช่วยในอากาศสามารถใช้เพื่อแยกแยะก๊าซไอโซโทป 12CO2 และ 13CO2 ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ดังแสดงในรูปที่ 3 (d)

รูปที่ 3 สัญญาณรามานของ (a) CO2 ที่ความเข้มข้น 0.5% ในอากาศ (b) SF6 ที่ความเข้มข้น 0.1% (c) CO2 ที่ความเข้มข้น 0.5% และ SF6 ที่ความเข้มข้น 0.1% วัดค่า โดยเครื่องสเปกโทรสโกปี Raman ที่สอดคล้องกันด้วยเลเซอร์ช่วยทางอากาศ(ง) สัญญาณรามันของ 12CO2 และ 13CO2 ทั้งคู่ที่ความเข้มข้น 0.4% ในอากาศ

สรุปและโอกาส

Raman spectroscopy ที่เชื่อมโยงกันโดยใช้เลเซอร์ช่วยทางอากาศ ซึ่งผสมผสานข้อดีของเลเซอร์ femtosecond และเลเซอร์อากาศ ไม่เพียงแต่ใช้สำหรับการตรวจจับความเข้มข้นของก๊าซเรือนกระจกทั่วไปในอากาศที่มีความไวสูงเท่านั้น แต่ยังมีความสามารถในการวัดหลายองค์ประกอบและความละเอียดของไอโซโทปอีกด้วย .การวัดความสัมพันธ์ของสารมลพิษและก๊าซเรือนกระจกต่างๆ และการตรวจจับไอโซโทป CO2 มีความสำคัญอย่างยิ่งในการติดตามแหล่งที่มาของมลภาวะในบรรยากาศ ศึกษากระบวนการวัฏจักรคาร์บอน และการยืนยันแหล่งที่มาและการจมของการปล่อยก๊าซคาร์บอน และยังถือเป็นข้อได้เปรียบที่สำคัญของเทคโนโลยีนี้อีกด้วย เหนือเทคโนโลยีการสำรวจระยะไกลแบบดั้งเดิมอย่างไรก็ตาม เพื่อให้การตรวจวัดสารมลพิษในบรรยากาศมีความแม่นยำสูง จำเป็นต้องเพิ่มความไวในการตรวจจับเป็นระดับ ppm หรือแม้แต่ ppb และขยายระยะการตรวจจับจากระดับห้องปฏิบัติการเป็นระดับกิโลเมตรเชื่อกันว่าด้วยนวัตกรรมและการพัฒนาเทคโนโลยีเลเซอร์ femtosecond พลังงานสูงความถี่สูงและเทคโนโลยีการตรวจจับความไวสูง เทคโนโลยีนี้คาดว่าจะได้รับการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญในด้านระยะการตรวจจับและความไว ตอบสนองความต้องการการใช้งานจริงของการตรวจจับบรรยากาศ และให้บริการ ยุทธศาสตร์ “คาร์บอนคู่” ระดับชาติ

ผู้เขียนแนะนำ Shao

Zhihao Zhang (ผู้เขียนคนแรก) เป็นผู้สมัครระดับปริญญาเอกที่ได้รับการฝึกอบรมร่วมกันโดย Shanghai University of Science and Technology และ Shanghai Institute of Optics and Machinery, Chinese Academy of Sciencesงานวิจัยของเขาที่สนใจคือปฏิกิริยาระหว่างเลเซอร์เฟมโตวินาทีกับสสารเขาได้ตีพิมพ์บทความ 9 ฉบับในวารสาร เช่น Ultrafast Science และ Science Bulletin

Fangbo Zhang (ผู้เขียนร่วมคนแรก) เป็นผู้สมัครระดับปริญญาเอกที่ Shanghai Institute of Optics and Computer, Chinese Academy of Sciencesงานวิจัยของเขาที่สนใจ ได้แก่ เลนส์ความเร็วสูงพิเศษในสนามสูงและสเปกโทรสโกปีแบบไม่เชิงเส้นเขาได้ตีพิมพ์บทความวิชาการ 3 ฉบับใน Opt.Lett., Phys.Rev.A และวารสารอื่น ๆ ในฐานะผู้เขียนคนแรกและผู้เขียนร่วมคนแรกเขาได้รับทุนการศึกษานักศึกษาดีเด่นและนักศึกษาดีเด่นจากสถาบันทัศนศาสตร์และเครื่องจักรแห่งเซี่ยงไฮ้

ในฐานะผู้เขียนคนแรก/ผู้เขียนที่เกี่ยวข้อง เขาได้ตีพิมพ์บทความ 38 ฉบับใน Phys Rev. Lett., Science Bulletin ฯลฯ และผลงานวิจัยของเขาได้รับเลือกให้เป็น "ความสำเร็จที่สำคัญในทัศนศาสตร์จีน", รางวัล Rao Yutai Basic Optics Award และครอบคลุมบทความต่างๆงานต้นฉบับในทิศทางเลเซอร์อากาศถูกอ้างถึงเกือบ 200 ครั้งด้วยทุนสนับสนุนจากโครงการ "Excellent Youth" ของคณะกรรมการมูลนิธิแห่งชาติ เขาได้รับเลือกให้เป็นผู้นำด้านวิชาการที่เป็นเลิศในเซี่ยงไฮ้, ผู้มีความสามารถระดับแนวหน้าของเยาวชนในเซี่ยงไฮ้ และดาวเด่นด้านวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งเซี่ยงไฮ้สมาชิกคณะกรรมการบรรณาธิการของ Laser China และสมาชิกคณะกรรมการบรรณาธิการเยาวชน Ultrafast Science

Cheng Ya (ผู้เขียนที่เกี่ยวข้อง) เป็นนักวิจัยที่ Shanghai Institute of Optics and Machinery, Chinese Academy of Sciences และเป็นศาสตราจารย์ที่ School of Physics and Electronic Science, East China Normal Universityเขาดำเนินธุรกิจหลักในการวิจัยเกี่ยวกับเลนส์ไม่เชิงเส้นแบบละเอียดพิเศษและการผลิตเลเซอร์ไมโครนาโนเขาได้ตีพิมพ์บทความมากกว่า 200 ฉบับและการอ้างอิงมากกว่า 10,000 รายการ โดยมีปัจจัย H มากกว่า 50 เขาได้รับการสนับสนุนจากมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติเพื่อเยาวชนดีเด่นมากกว่า 100 ครั้งเขาดำรงตำแหน่งหัวหน้านักวิทยาศาสตร์ของโครงการแผน 973 แห่งชาติและโครงการแผนการวิจัยและพัฒนาที่สำคัญอย่างต่อเนื่องเขาได้ตีพิมพ์เอกสารภาษาจีน 1 ฉบับ และเอกสารภาษาอังกฤษ 5 ฉบับเขาเป็นสมาชิกของสมาคมจักษุแห่งอเมริกา สมาชิกของสมาคมกายภาพแห่งอังกฤษ และสมาชิกของสมาคมจักษุจีน

Xu Zhi-zhan (ผู้เขียนที่เกี่ยวข้อง) เป็นนักวิจัยที่ Shanghai Institute of Optics and Machinery, Chinese Academy of Sciences, นักวิชาการของ Chinese Academy of Sciences และสมาชิกของ Third World Academy of Sciencesเขาเป็นหนึ่งในผู้นำในยุคแรกๆ ในด้านเลเซอร์ฟิวชันแบบเฉื่อยแบบจำกัดความเฉื่อยในประเทศจีน และเป็นผู้บุกเบิกสาขาใหม่ด้านวิทยาศาสตร์เลเซอร์ที่มีความเข้มสูงและสั้นเป็นพิเศษ และฟิสิกส์ของสนามที่แข็งแกร่งในประเทศจีนเขาดำรงตำแหน่งผู้อำนวยการของ Shanghai Optical Machinery Institute และรองประธานของ Chinese Optical Societyเขาเป็นประธานในการวิจัยเลเซอร์ฟิวชั่นมาเป็นเวลานาน และเป็นผู้บุกเบิกและมีส่วนสนับสนุนที่โดดเด่นมีการค้นพบทางวิทยาศาสตร์อย่างเป็นระบบในการวิจัยชายแดนที่สำคัญเกี่ยวกับปฏิสัมพันธ์ระหว่างเลเซอร์ที่มีความเข้มข้นกับสสารนับเป็นครั้งแรกในโลกที่มีเลเซอร์เอ็กซเรย์ความยาวคลื่นใหม่ 8 ตัวได้มาจากรูปแบบไอออนลิเธียมและโซเดียม และความยาวคลื่นสั้นที่สุดอยู่ที่ 46.8 อังก์ได้เปิดสาขาใหม่ของวิทยาศาสตร์เลเซอร์สั้นพิเศษและฟิสิกส์ภาคสนามที่แข็งแกร่งในประเทศจีน และประสบความสำเร็จอย่างก้าวกระโดดในฐานะผู้ชนะคนแรก เขาได้รับรางวัล National Science and Technology Progress Award 1 รางวัล, รางวัล National Natural Science Award 2 รางวัล, รางวัล National Invention Award 1 รางวัล, 4 รางวัลแรกของ Chinese Academy of Sciences Natural Science รางวัลและรางวัลความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 2 รางวัลแรกของรางวัลความก้าวหน้าวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีเซี่ยงไฮ้ และรางวัลวิทยาศาสตร์ธรรมชาติ เป็นต้น ในปี 1996 เขาได้รับรางวัล Shanghai Science and Technology Merit Awardรางวัลมูลนิธิ He Liang Ho Li ด้านความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีในปี 1998 ในปี 2006 เขาได้รับรางวัลเหรียญทองสำหรับ "ผลงานดีเด่นด้านวิทยาศาสตร์เลเซอร์" ในการประชุมนานาชาติเรื่องวิทยาศาสตร์เลเซอร์ที่รวดเร็วและเข้มข้นเป็นพิเศษ