phát laser không khí là bức xạ kết hợp được tạo ra bởi sự khuếch đại không khoang thông qua thành phần chính của không khí hoặc các dẫn xuất của nó làm môi trường khuếch đại.Nó sử dụng “dây quang femto giây”, một kênh plasma nhiệt độ thấp được tạo ra bởi xung laser femto giây năng lượng cao, làm chất mang, có khả năng tạo điều khiển từ xa tự nhiên và có ưu điểm là độ sáng cao, băng thông đường truyền hẹp và truyền dẫn trong một hướng cụ thể.Vì vậy, kể từ khi phát hiện ra tia laser không khí, ứng dụng của nó trong lĩnh vực viễn thám khí quyển đã thu hút được sự quan tâm lớn của các nhà nghiên cứu trong và ngoài nước.Tuy nhiên, làm thế nào để sử dụng “tia laser không khí” mới này để “chẩn đoán” chính xác bầu khí quyển?Một nhóm các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Vật lý Laser Trường Innse trọng điểm Nhà nước tại Viện Quang học và Cơ học Thượng Hải, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, đã đưa ra câu trả lời.Nhóm nghiên cứu đã báo cáo về kỹ thuật tán xạ Raman kết hợp được hỗ trợ bằng laser không khí và ghi lại thành công “dấu vân tay phân tử” của các khí nhà kính CO2 và SF6 trong khí quyển, đạt được khả năng phát hiện các khí nhà kính ở nồng độ trong khí quyển thấp tới 3 PPM và chứng minh khả năng khả năng của kỹ thuật đo đồng thời nhiều thành phần và độ phân giải đồng vị CO2.
Việc phát hiện từ xa các chất gây ô nhiễm không khí và các tác nhân sinh hóa có độ nhạy cao là rất quan trọng đối với khoa học môi trường và an ninh quốc phòng.Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ laser cực mạnh và cực ngắn cung cấp một công cụ mạnh mẽ cho viễn thám quang học từ xa.Một mặt, các sợi laser femto giây năng lượng cao có thể truyền tự do trong khí quyển trên khoảng cách xa mà không bị nhiễu xạ.Mặt khác, một loạt các nguồn bức xạ thứ cấp được tạo ra bởi quá trình đốt cháy tia laser femto giây, chẳng hạn như ánh sáng trắng siêu liên tục, tia laser không khí, huỳnh quang phân tử, v.v., cung cấp một “đầu dò” từ xa tự nhiên cho viễn thám khí quyển.Vì vậy, công nghệ viễn thám quang học dựa trên tia laser cực nhanh đã thu hút nhiều sự chú ý trong hai thập kỷ qua.Trong những năm gần đây, việc phát hiện và nghiên cứu sâu rộng về tia laser không khí đã mang lại sức sống mới cho viễn thám quang học cực nhanh.Laser không khí, lấy bầu khí quyển phổ biến làm môi trường khuếch đại và kênh plasma được tạo ra bởi laser femto giây làm chất mang, có ưu điểm là cường độ cao, phổ hẹp, khả năng định hướng không gian tốt và cùng tồn tại tự nhiên với chùm tia bơm, khiến nó trở thành một “đầu dò” lý tưởng. ” để phát hiện khí quyển.Tuy nhiên, việc sử dụng “laser không khí” như một công cụ mới để phát hiện khí quyển vẫn đang phải đối mặt với những thách thức lớn về nguyên tắc, phương pháp, độ nhạy và độ ổn định.
Nhóm nghiên cứu của Phòng thí nghiệm Vật lý Laser Trường cao Trọng điểm Nhà nước, Viện Quang học và Cơ học Thượng Hải, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc đã cam kết nghiên cứu vật lý trường cao và ứng dụng viễn thám của laser không khí kể từ hiện tượng “laser không khí” gây ra. bằng phương pháp ion hóa trường cao được báo cáo lần đầu tiên trên thế giới vào năm 2011 [Phys.Rev.A 84, 051802 (2011)].Gần đây, nhóm nghiên cứu đã phát triển kỹ thuật quang phổ Raman kết hợp có độ nhạy cao sử dụng tia laser không khí, cho phép phát hiện định lượng nồng độ khí nhà kính trong khí quyển, phát hiện đồng thời nhiều thành phần và xác định các đồng vị CO2, với độ nhạy phát hiện lên tới 0,03% và độ nhiễu tín hiệu tối thiểu lên đến 2%.Nghiên cứu có liên quan đã được công bố trên tạp chí Khoa học cực nhanh về phát hiện khí có độ nhạy cao bằng quang phổ Raman kết hợp được hỗ trợ bằng tia laze.
Nguyên lý cơ bản của quang phổ Raman kết hợp được hỗ trợ bằng laser không khí được thể hiện trong Hình 1. Một mặt, sự tương tác phi tuyến cực độ giữa laser femto giây và không khí, kích thích mức tăng quang học của các phân tử không khí, thực hiện khuếch đại hạt giống hơn 1000 lần và tạo ra tia laser không khí ion nitơ có bước sóng 428 nm và độ rộng đường truyền 13 cm-1.Đồng thời, tia laser femto giây truyền phi tuyến trong khí quyển, mở rộng băng thông phổ lên 3800 cm-1, rộng hơn một bậc độ lớn so với phổ tới và đủ để kích thích rung động Raman kết hợp của hầu hết các phân tử ô nhiễm. và các khí nhà kính trong không khí.Khi tia laser không khí gặp các phân tử dao động kết hợp, sự tán xạ Raman kết hợp được tạo ra một cách hiệu quả.Bằng cách ghi lại sự thay đổi tần số giữa tín hiệu Raman kết hợp và tia laser không khí, được gọi là “dấu vân tay Raman”, có thể biết được “thông tin nhận dạng” của phân tử - thành phần hóa học của nó.
Hình 1. Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật tán xạ Raman kết hợp có sự trợ giúp của laser không khí: (a) Sơ đồ nguyên lý cơ chế tạo ra laser không khí và tán xạ Raman kết hợp;(b) So sánh giữa phổ ánh sáng bơm mở rộng và phổ ban đầu;(c) Phân bố quang phổ và không gian của tia laser trong không khí.
Quang phổ Raman kết hợp được hỗ trợ bằng laser không khí kết hợp các ưu điểm kép của laser femto giây và laser không khí: laser femto giây có phổ rộng và độ rộng xung ngắn, có thể đồng thời kích thích rung động kết hợp của nhiều phân tử khí.Phổ hẹp của laser không khí có thể được sử dụng làm đầu dò có độ phân giải quang phổ cao, có thể phân biệt hiệu quả dấu vân tay Raman của các phân tử khác nhau.Vì vậy, công nghệ có thể đáp ứng được nhu cầu đo đa thành phần và tính đặc hiệu hóa học.Trong nghiên cứu này, tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu của tín hiệu Raman kết hợp được cải thiện một cách hiệu quả bằng cách sử dụng công nghệ lọc phân cực và khuếch đại hạt giống, đồng thời nhiễu nền và nhiễu tín hiệu do tạo ra ánh sáng trắng siêu liên tục được giảm đáng kể, do đó cải thiện độ nhạy phát hiện và sự ổn định.Nhóm nghiên cứu đã sử dụng công nghệ quang phổ Raman kết hợp được hỗ trợ bằng laser không khí để đo mối quan hệ định lượng giữa cường độ tín hiệu Raman của CO2 và SF6 trong khí quyển và nồng độ khí tương ứng.Nồng độ tối thiểu được phát hiện của CO2 và SF6 lần lượt là 0,1% và 0,03%, và độ nhiễu tín hiệu tối thiểu đạt 2% (Hình 2).
Hình 2. Mối quan hệ định lượng giữa cường độ tín hiệu Raman kết hợp được đo bằng thí nghiệm và nồng độ khí.Hình minh họa thể hiện tín hiệu Raman của CO2 và SF6 được đo ở nồng độ tối thiểu.Nồng độ CO2 tối thiểu được phát hiện (1388 cm-1 đỉnh Raman) và SF6 lần lượt là 0,1% và 0,03%
Hơn nữa, kỹ thuật này có thể được sử dụng để đo nhiều thành phần đồng thời trong hỗn hợp không khí, CO2 và SF6, như trong Hình 3(a)-(c), được hưởng lợi từ sự kích thích đa thành phần laser femto giây và khả năng phân giải đa thành phần laser không khí.Quan trọng hơn, quang phổ Raman kết hợp được hỗ trợ bằng laser không khí có thể được sử dụng để phân biệt hiệu quả giữa các khí đồng vị 12CO2 và 13CO2, như trong Hình 3(d).
Hình 3. Tín hiệu Raman của (a) CO2 ở nồng độ 0,5% trong không khí, (b) SF6 ở nồng độ 0,1%, (c) CO2 ở nồng độ 0,5% và SF6 ở nồng độ 0,1%, được đo bằng quang phổ Raman kết hợp được hỗ trợ bằng laser trên không;(d) Tín hiệu Raman của 12CO2 và 13CO2, cả hai đều có nồng độ 0,4% trong không khí
Tóm tắt và triển vọng
Quang phổ Raman kết hợp được hỗ trợ bằng laser không khí, kết hợp các ưu điểm của laser femto giây và laser không khí, không chỉ có thể được sử dụng để phát hiện độ nhạy cao về nồng độ khí nhà kính phổ biến trong không khí mà còn có khả năng đo đa thành phần và độ phân giải đồng vị .Việc đo tương quan giữa các chất ô nhiễm và khí nhà kính khác nhau cũng như phát hiện đồng vị CO2 có ý nghĩa rất lớn trong việc truy tìm nguồn gốc ô nhiễm khí quyển, nghiên cứu quá trình chu trình carbon và xác nhận nguồn và bể chứa lượng khí thải carbon, đồng thời cũng là những ưu điểm quan trọng của công nghệ này hơn công nghệ viễn thám truyền thống.Tuy nhiên, để đạt được phép đo chính xác cao về các chất gây ô nhiễm dạng vết trong khí quyển, cần phải tăng độ nhạy phát hiện lên mức ppm hoặc thậm chí ppb, đồng thời mở rộng khoảng cách phát hiện từ quy mô phòng thí nghiệm đến quy mô km.Người ta tin rằng thông qua việc đổi mới và phát triển công nghệ laser femto giây tần số cao, năng lượng cao và công nghệ phát hiện độ nhạy cao, công nghệ này dự kiến sẽ được cải thiện đáng kể về khoảng cách và độ nhạy phát hiện, đáp ứng các yêu cầu ứng dụng thực tế của phát hiện khí quyển và phục vụ chiến lược quốc gia “cacbon kép”.
Tác giả giới thiệu Thiều
Zhihao Zhang (tác giả đầu tiên) là nghiên cứu sinh tiến sĩ được đồng đào tạo bởi Đại học Khoa học và Công nghệ Thượng Hải và Viện Quang học và Máy móc Thượng Hải, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc.Mối quan tâm nghiên cứu của ông là sự tương tác giữa tia laser femto giây với vật chất.Ông đã xuất bản 9 bài báo trên các tạp chí như Ultrafast Science và Science Bulletin.
Fangbo Zhang (đồng tác giả đầu tiên) là nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Viện Quang học và Máy tính Thượng Hải, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc.Mối quan tâm nghiên cứu của ông bao gồm quang học cực nhanh trường cao và quang phổ phi tuyến.Ông đã xuất bản 3 bài báo học thuật trên tạp chí Opt.Lett., Phys.Rev.A và các tạp chí khác là tác giả đầu tiên và đồng tác giả đầu tiên.Anh đã được trao tặng Học bổng Sinh viên Xuất sắc và Danh hiệu Sinh viên Ưu tú của Viện Quang học và Máy móc Thượng Hải.
Với tư cách là tác giả đầu tiên/tương ứng, ông đã xuất bản 38 bài báo trên Phys Rev. Lett., Science Bulletin, v.v., và kết quả nghiên cứu của ông đã được chọn là “Thành tựu quan trọng trong Quang học Trung Quốc”, Giải thưởng Quang học Cơ bản Rao Yutai và các bài báo trên trang bìa.Tác phẩm gốc theo hướng laser không khí đã được trích dẫn gần 200 lần.Được tài trợ bởi dự án “Thanh niên xuất sắc” của Ủy ban Quỹ Quốc gia, anh đã được chọn là Nhà lãnh đạo học thuật xuất sắc Thượng Hải, Tài năng trẻ xuất sắc Thượng Hải và Ngôi sao khoa học và công nghệ trẻ Thượng Hải.Thành viên ban biên tập Laser China và Thành viên ban biên tập Ultrafast Science Youth.
Cheng Ya (tác giả tương ứng) là nhà nghiên cứu tại Viện Quang học và Máy móc Thượng Hải, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, đồng thời là giáo sư tại Trường Vật lý và Khoa học Điện tử, Đại học Sư phạm Hoa Đông.Ông chủ yếu tham gia nghiên cứu quang học phi tuyến siêu mịn và sản xuất laser micro-nano.Ông đã xuất bản hơn 200 bài báo và hơn 10.000 trích dẫn, với hệ số H lớn hơn 50. Ông đã được Quỹ khoa học quốc gia dành cho những người trẻ xuất sắc tài trợ hơn 100 lần.Ông đã liên tục giữ chức vụ nhà khoa học trưởng của dự án Kế hoạch 973 quốc gia và dự án Kế hoạch nghiên cứu và phát triển trọng điểm.Ông đã xuất bản 1 chuyên khảo bằng tiếng Trung và 5 chuyên khảo bằng tiếng Anh.Ông là thành viên của Hiệp hội Quang học Hoa Kỳ, thành viên của Hiệp hội Vật lý Anh và thành viên của Hiệp hội Quang học Trung Quốc.
Xu Zhi-zhan (tác giả tương ứng) là nhà nghiên cứu tại Viện Quang học và Máy móc Thượng Hải, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, Viện sĩ Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, và là thành viên của Viện Hàn lâm Khoa học Thế giới Thứ ba.Ông là một trong những nhà lãnh đạo đầu tiên trong lĩnh vực phản ứng tổng hợp laser giam cầm quán tính ở Trung Quốc, đồng thời là người tiên phong trong lĩnh vực mới về khoa học laser siêu mạnh và siêu ngắn cũng như vật lý trường mạnh ở Trung Quốc.Ông từng là giám đốc Viện Máy quang học Thượng Hải và phó chủ tịch Hiệp hội Quang học Trung Quốc.Ông đã chủ trì nghiên cứu phản ứng tổng hợp laser trong một thời gian dài và có những đóng góp tiên phong và nổi bật.Nó đã có những khám phá khoa học có hệ thống trong nghiên cứu tiên phong quan trọng về sự tương tác giữa tia laser cường độ cao và vật chất.Lần đầu tiên trên thế giới, người ta đã thu được 8 tia laser tia X bước sóng mới bằng sơ đồ ion giống lithium và natri, và bước sóng ngắn nhất đã đạt tới 46,8 ang.Nó đã mở ra các lĩnh vực mới về khoa học laser siêu siêu ngắn và vật lý trường mạnh ở Trung Quốc và đạt được những thành tựu đột phá.Với tư cách là người đoạt giải nhất, anh đã giành được 1 giải nhất Giải thưởng Tiến bộ Khoa học và Công nghệ Quốc gia, 2 giải Nhì Giải thưởng Khoa học Tự nhiên Quốc gia, 1 giải Nhì Giải thưởng Sáng chế Quốc gia, 4 giải Nhất Viện Khoa học Tự nhiên Trung Quốc. Giải thưởng và Giải thưởng Tiến bộ Khoa học và Công nghệ, 2 giải nhất Giải thưởng Tiến bộ Khoa học và Công nghệ Thượng Hải và Giải thưởng Khoa học Tự nhiên, v.v. Năm 1996, ông đoạt Giải thưởng Khoa học và Công nghệ Thượng Hải.Giải thưởng He Liang Ho Li Foundation cho Tiến bộ Khoa học và Công nghệ năm 1998. Năm 2006, ông được trao Huy chương Vàng cho “Đóng góp xuất sắc cho khoa học laser” tại Hội nghị Quốc tế về Khoa học Laser cực nhanh và cường độ cao.
Thời gian đăng: Mar-09-2023