Hava lazeri, kazanç ortamı olarak havanın veya türevlerinin ana bileşeni aracılığıyla boşluksuz amplifikasyonla üretilen tutarlı radyasyondur.Taşıyıcı olarak, doğal uzaktan üretim yeteneğine sahip olan ve yüksek parlaklık, dar hat genişliği ve iletim avantajlarına sahip olan, yüksek enerjili femtosaniye lazer darbesi tarafından oluşturulan düşük sıcaklıktaki bir plazma kanalı olan "femtosaniye optik filamanı" kullanır. belirli bir yön.Bu nedenle hava lazerinin keşfinden bu yana atmosferik uzaktan algılama alanında uygulanması yurt içi ve yurt dışındaki araştırmacıların büyük ilgisini çekmiştir.Ancak atmosferi doğru bir şekilde “teşhis etmek” için bu yeni “hava lazeri” nasıl kullanılır?Çin Bilimler Akademisi, Şangay Optik ve Mekanik Enstitüsü Innse Alan Lazer Fiziği Devlet Anahtar Laboratuvarı'ndan bir araştırmacı ekibi bu sorunun cevabını buldu.Ekip, hava lazeri destekli tutarlı Raman saçılım tekniğini bildirdi ve atmosferdeki sera gazları CO2 ve SF6'nın "moleküler parmak izini" başarıyla kaydetti, 3 PPM kadar düşük atmosferik konsantrasyonlarda sera gazlarının tespitini başardı ve Tekniğin birden fazla bileşenin eş zamanlı ölçümü ve CO2 izotop çözünürlüğü yeteneği.
Hava kirleticilerin ve biyokimyasal ajanların son derece hassas uzaktan tespiti, çevre bilimi ve ulusal savunma güvenliği açısından çok önemlidir.Ultra güçlü ve ultra kısa lazer teknolojisinin hızlı gelişimi, uzaktan optik uzaktan algılama için güçlü bir araç sağlar.Bir yandan, yüksek enerjili femtosaniye lazer filamentleri, atmosferde uzun mesafeler boyunca kırınıma uğramadan serbestçe iletebilir.Öte yandan, süper sürekli beyaz ışık, hava lazeri, moleküler floresans vb. gibi femtosaniye lazer filaminasyonuyla indüklenen bir dizi ikincil radyasyon kaynağı, atmosferik uzaktan algılama için doğal bir uzaktan "sonda" sağlar.Bu nedenle, ultra hızlı lazere dayalı optik uzaktan algılama teknolojisi son yirmi yılda büyük ilgi gördü.Son yıllarda hava lazerinin keşfi ve kapsamlı araştırması, ultra hızlı optik uzaktan algılamaya yeni bir canlılık kattı.Kazanç ortamı olarak her yerde bulunan atmosferi ve taşıyıcı olarak femtosaniye lazer tarafından oluşturulan plazma kanalını alan hava lazeri, yüksek yoğunluk, dar spektrum, iyi uzaysal yönlendirme ve pompa ışınıyla doğal olarak bir arada bulunma avantajlarına sahiptir ve bu da onu ideal bir "prob" yapar. ” atmosferik algılama için.Ancak atmosferik tespit için yeni bir araç olarak "hava lazeri"nin kullanımı prensip, yöntem, hassasiyet ve stabilite açısından hala büyük zorluklarla karşı karşıyadır.
Çin Bilimler Akademisi, Şangay Optik ve Mekanik Enstitüsü, Yüksek Alan Lazer Fiziği Devlet Anahtar Laboratuvarı'nın araştırma ekibi, "hava lazeri" olgusunun tetiklenmesinden bu yana, yüksek alan fiziği araştırmalarına ve hava lazerinin uzaktan algılama uygulamasına kendini adamıştır. yüksek alan iyonizasyonu ile dünyada ilk kez 2011 yılında rapor edilmiştir [Phys.Rev.A 84, 051802 (2011)].Son zamanlarda ekip, atmosferik sera gazı konsantrasyonlarının kantitatif tespitini, birden fazla bileşenin eşzamanlı tespitini ve CO2 izotoplarının tanımlanmasını %0,03'e varan tespit hassasiyeti ve minimum sinyal titreşimi ile sağlayan, hava lazeri kullanan oldukça hassas bir tutarlı Raman spektroskopi tekniği geliştirdi. 2 'ye kadar%.İlgili araştırma, Ultrafast Science on Air-Lasing-Assisted Coherent Raman Spektroskopisi ile Yüksek Hassasiyetli Gaz Tespiti'nde yayınlandı.
Hava lazeri destekli tutarlı Raman spektroskopisinin temel prensibi Şekil 1'de gösterilmektedir. Femtosaniye lazer ve hava arasındaki aşırı doğrusal olmayan etkileşim, bir yandan hava moleküllerinin optik kazancını uyarır, 1000 kattan fazla tohum amplifikasyonunu gerçekleştirir ve 428 nm dalga boyunda ve 13 cm-1 çizgi genişliğinde nitrojen iyon hava lazeri üretir.Aynı zamanda, femtosaniye lazer atmosferde doğrusal olmayan bir şekilde iletim yaparak spektrum bant genişliğini 3800 cm-1'e kadar genişletir; bu, gelen spektrumdan bir kat daha geniştir ve çoğu kirletici molekülün tutarlı Raman titreşimini uyarmak için yeterlidir. ve havadaki sera gazları.Hava lazeri tutarlı bir şekilde titreşen moleküllerle karşılaştığında, tutarlı Raman saçılımı etkili bir şekilde oluşturulur.Tutarlı Raman sinyali ile "Raman parmak izi" olarak bilinen hava lazeri arasındaki frekans kayması kaydedilerek, molekülün "kimlik bilgisi" yani kimyasal bileşimi öğrenilebiliyor.
Şekil 1. Hava lazeri destekli tutarlı Raman saçılım tekniğinin temel prensibi: (a) Hava lazeri ve tutarlı Raman saçılımının üretim mekanizmasının şematik diyagramı;(b) Genişletilmiş pompa ışık spektrumu ile orijinal spektrum arasındaki karşılaştırma;(c) Havadaki lazerlerin spektral ve uzaysal dağılımı.
Hava lazeri destekli tutarlı Raman spektroskopisi, femtosaniye lazer ve hava lazerinin ikili avantajlarını birleştirir: femtosaniye lazer, birçok gaz molekülünün tutarlı titreşimini aynı anda uyarabilen geniş spektruma ve kısa darbe genişliğine sahiptir.Hava lazerinin dar spektrumu, farklı moleküllerin Raman parmak izlerini etkili bir şekilde ayırt edebilen, yüksek spektral çözünürlüğe sahip bir prob olarak kullanılabilir.Bu nedenle teknoloji, çok bileşenli ölçüm ve kimyasal spesifiklik ihtiyaçlarını karşılayabilir.Bu çalışmada, tutarlı Raman sinyallerinin sinyal-gürültü oranı, tohum amplifikasyonu ve polarizasyon filtreleme teknolojisi kullanılarak etkili bir şekilde iyileştirilir ve süper sürekli beyaz ışık üretiminin neden olduğu arka plan gürültüsü ve sinyal titreşimi önemli ölçüde bastırılır, böylece algılama hassasiyeti ve istikrar.Araştırma ekibi, atmosferdeki CO2 ve SF6'nın Raman sinyal yoğunluğu ile karşılık gelen gaz konsantrasyonu arasındaki niceliksel ilişkiyi ölçmek için hava lazer destekli tutarlı Raman spektroskopi teknolojisini kullandı.Minimum tespit edilen CO2 ve SF6 konsantrasyonları sırasıyla %0,1 ve %0,03 idi ve minimum sinyal titreşimi %2'ye ulaştı (Şekil 2).
Şekil 2. Deneyle ölçülen tutarlı Raman sinyal yoğunluğu ile gaz konsantrasyonu arasındaki niceliksel ilişki.Şekilde minimum konsantrasyonlarda ölçülen CO2 ve SF6'nın Raman sinyalleri gösterilmektedir.Minimum tespit edilen CO2 (1388 cm-1 Raman zirvesi) ve SF6 konsantrasyonları sırasıyla %0,1 ve %0,03'tür.
Ayrıca teknik, Şekil 3(a)-(c)'de gösterildiği gibi hava, CO2 ve SF6 karışımında eşzamanlı çok bileşenli ölçümler için kullanılabilir ve femtosaniye lazer çok bileşenli uyarımdan ve hava lazer çok bileşenli çözünürlük yeteneğinden yararlanılır.Daha da önemlisi, hava lazer destekli tutarlı Raman spektroskopisi, Şekil 3(d)'de gösterildiği gibi 12CO2 ve 13CO2 izotopik gazlar arasında etkili bir şekilde ayrım yapmak için kullanılabilir.
Şekil 3. Ölçülen (a) Havada %0,5 konsantrasyonda CO2, (b) %0,1 konsantrasyonda SF6, (c) %0,5 konsantrasyonda CO2 ve %0,1 konsantrasyonda SF6'nın Raman sinyalleri hava lazer destekli tutarlı Raman spektroskopisi ile;(d) Her ikisi de havada %0,4 konsantrasyonda olan 12CO2 ve 13CO2'nin Raman sinyalleri
Özet ve olasılık
Femtosaniye lazer ve hava lazerinin avantajlarını birleştiren hava lazer destekli tutarlı Raman spektroskopisi, yalnızca havadaki yaygın sera gazı konsantrasyonlarının son derece hassas tespiti için kullanılabilmekle kalmıyor, aynı zamanda çok bileşenli ölçüm ve izotop çözünürlüğü yeteneğine de sahip. .Çeşitli kirleticilerin ve sera gazlarının korelasyon ölçümü ve CO2 izotopunun tespiti, atmosferik kirliliğin kaynağının izlenmesi, karbon döngüsü sürecinin incelenmesi ve karbon emisyonlarının kaynağının ve havuzunun doğrulanması açısından büyük önem taşır ve aynı zamanda bu teknolojinin önemli avantajlarıdır. Geleneksel uzaktan algılama teknolojisine göre.Ancak atmosferdeki eser miktardaki kirleticilerin yüksek hassasiyette ölçülmesini sağlamak için, tespit hassasiyetinin ppm hatta ppb düzeyine çıkarılması ve tespit mesafesinin laboratuvar ölçeğinden kilometre ölçeğine kadar genişletilmesi gerekmektedir.Yüksek frekanslı, yüksek enerjili femtosaniye lazer teknolojisinin ve yüksek hassasiyetli algılama teknolojisinin yeniliği ve geliştirilmesi yoluyla, bu teknolojinin algılama mesafesi ve hassasiyetinde önemli ölçüde iyileşmesi, atmosferik algılamanın pratik uygulama gereksinimlerini karşılaması ve ulusal “çift karbon” stratejisi.
Yazar Shao'yu tanıttı
Zhihao Zhang (ilk yazar), Şangay Bilim ve Teknoloji Üniversitesi ve Çin Bilimler Akademisi Şangay Optik ve Makine Enstitüsü tarafından ortaklaşa eğitilen bir doktora adayıdır.Araştırma alanları madde ile femtosaniye lazer etkileşimidir.Ultrafast Science ve Science Bulletin gibi dergilerde 9 makalesi yayımlandı.
Fangbo Zhang (ortak yazar), Çin Bilimler Akademisi Şangay Optik ve Bilgisayar Enstitüsü'nde doktora adayıdır.Araştırma alanları arasında yüksek alanlı ultra hızlı optik ve doğrusal olmayan spektroskopi yer almaktadır.Opt.Lett., Phys'de 3 akademik makalesi yayınlanmıştır.Rev.A ve diğer dergilerde ilk yazar ve ortak ilk yazar olarak.Şanghay Optik ve Makine Enstitüsü tarafından Üstün Öğrenci Bursu ve Başarı Öğrencisi ödülüne layık görüldü.
İlk/sorumlu yazar olarak Phys Rev. Lett., Science Bulletin vb. dergilerde 38 makale yayınladı ve araştırma sonuçları “Çin Optiğinde Önemli Başarılar”, Rao Yutai Temel Optik Ödülü ve kapak makaleleri olarak seçildi.Hava lazeri yönündeki orijinal çalışma yaklaşık 200 kez alıntılanmıştır.Ulusal Vakıf Komitesinin “Mükemmel Gençlik” projesi tarafından finanse edilen kendisi, Şangay Mükemmel Akademik Lideri, Şanghay Gençliğinde Birinci Sınıf Yetenek ve Şanghay Genç Bilim ve Teknoloji Yıldızı olarak seçildi.Laser China'nın yayın kurulu üyesi ve Ultrafast Science Youth Yayın Kurulu Üyesi.
Cheng Ya (sorumlu yazar) Çin Bilimler Akademisi Şangay Optik ve Makine Enstitüsü'nde araştırmacı ve Doğu Çin Normal Üniversitesi Fizik ve Elektronik Bilimleri Okulu'nda profesördür.Esas olarak ultra ince doğrusal olmayan optik ve lazer mikro-nano üretimi araştırmalarıyla ilgilenmektedir.H faktörü 50'nin üzerinde olan 200'den fazla makalesi ve 10.000'den fazla alıntısı yayınlanmıştır. Ulusal Bilim Vakfı Üstün Gençler tarafından 100'den fazla kez desteklenmiştir.Başarılı bir şekilde Ulusal 973 Planı projesinin ve kilit araştırma ve geliştirme Planı projesinin baş bilim insanı olarak görev yaptı.Çince 1, İngilizce 5 monografi yayınladı.Amerika Optik Derneği'nin, İngiliz Fizik Derneği'nin ve Çin Optik Derneği'nin üyesidir.
Xu Zhi-zhan (sorumlu yazar) Şanghay Optik ve Makine Enstitüsü, Çin Bilimler Akademisi'nde araştırmacı, Çin Bilimler Akademisi Akademisyeni ve Üçüncü Dünya Bilimler Akademisi üyesidir.Çin'de atalet sınırlamalı lazer füzyonu alanındaki ilk liderlerden biridir ve Çin'de yeni süper güçlü ve ultra kısa lazer bilimi ve güçlü alan fiziği alanında öncüdür.Şangay Optik Makine Enstitüsü'nün direktörlüğü ve Çin Optik Topluluğu'nun başkan yardımcısı olarak görev yaptı.Uzun süre lazer füzyon araştırmalarına başkanlık etti ve öncü ve olağanüstü katkılarda bulundu.Yoğun lazer ve madde arasındaki etkileşime ilişkin önemli öncü araştırmalarda sistematik bilimsel keşifler yaptı.Dünyada ilk kez lityum ve sodyum benzeri iyon şemaları ile 8 yeni dalga boyuna sahip X-ışını lazeri elde edilmiş ve en kısa dalga boyu 46,8 ang'a ulaşmıştır.Çin'de süper süper kısa lazer bilimi ve güçlü alan fiziği alanında yeni alanlar açtı ve çığır açan başarılara imza attı.Birinci kazanan olarak, Ulusal Bilim ve Teknoloji İlerleme Ödülü'nde 1 birincilik ödülü, Ulusal Doğa Bilimleri Ödülü'nde 2 ikincilik ödülü, Ulusal Buluş Ödülü'nde 1 ikincilik ödülü, Çin Bilimler Akademisi Doğa Bilimleri'nde 4 birincilik ödülü kazandı. Ödülü ve Bilim ve Teknoloji İlerleme Ödülü, Şangay Bilim ve Teknoloji İlerleme Ödülü ve Doğa Bilimi Ödülü'nün 2 birincilik ödülü, vb. 1996 yılında Şanghay Bilim ve Teknoloji Başarı Ödülü'nü kazandı.1998'de He Liang Ho Li Vakfı Bilimsel ve Teknolojik İlerleme Ödülü. 2006'da Uluslararası Ultra Hızlı ve Yoğun Lazer Bilimi Konferansı'nda "Lazer bilimine Üstün Katkı" nedeniyle Altın Madalya ile ödüllendirildi.
Gönderim zamanı: Mart-09-2023