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超强激光科学卓越创新简报

(第二百六十六期)

2022年4月18日

上海光机所利用空气激光实现温室气体高灵敏度测量和CO2同位素分辨

　　近期，中科院上海光机所强场激光物理国家重点实验室研究团队利用空气激光，发展了高灵敏度的相干拉曼光谱技术，实现了大气中温室气体浓度的定量检测、多组分同时探测和CO2同位素分辨，温室气体探测灵敏度达到0.03%，信号稳定性达到2%的水平。相关成果以“High-Sensitivity Gas Detection with Air-Lasing-Assisted Coherent Raman Spectroscopy”为题发表于Ultrafast Science。

　　超强超短激光技术日新月异的发展为大气遥感提供了有力工具。这一方面得益于高能量飞秒激光成丝在大气中远距离、无衍射传输的能力；另一方面，飞秒激光成丝诱导的一系列次级辐射源，如超连续白光、空气激光、分子荧光等，为大气遥感提供了天然的远程“探针”。因此，基于超快激光的光学遥感技术在过去二十余年来备受瞩目。近几年，“空气激光”的发现与广泛研究为超快光学遥感注入了新的活力。空气激光，以无处不在的大气为增益介质，以飞秒激光成丝产生的等离子体通道为载体，并具有强度高、光谱窄、空间指向性好、与泵浦光束天然重合等优点，使其成为大气检测的理想“探针”。然而，利用空气激光进行大气检测，在原理方法、灵敏度和稳定性等方面仍面临着巨大挑战。

　　在该研究中，通过采用外加种子放大和偏振滤波技术，有效提升了相干拉曼信号的信噪比，显著抑制了超连续白光产生引起的背景噪声和信号抖动，极大地提升了探测灵敏度和稳定性。利用空气激光辅助的相干拉曼散射技术，该研究团队测量了大气中CO2和SF6的拉曼信号强度与相应气体浓度的定量关系，CO2和SF6的最小探测浓度分别达到0.1%和0.03%的水平，最小信号抖动为2%。

　　空气激光辅助的相干拉曼散射技术融合了飞秒激光和空气激光的双重优势：飞秒激光光谱宽、脉宽短，结合飞秒激光成丝的光谱展宽和脉冲自压缩效应，可以同时激发很多气体分子的相干振动；空气激光光谱窄，用其作为探针，光谱分辨率高，可以有效区分不同分子的拉曼指纹。因此，该技术不仅可以用于空气中常见温室气体浓度的高灵敏度检测，并且具有多组分测量和同位素分辨的能力。该研究团队在空气、CO2和SF6的混合气体中展示了该技术多组分同时测量的能力，并在实验上证实了该技术在12CO2和13CO2同位素分辨方面的优势。

　　多种污染物和温室气体关联测量以及CO2同位素检测对于追溯大气污染的源头，研究碳循环过程、确认碳排放的源和汇具有重要意义。相信，通过高重频、大能量飞秒激光技术以及高灵敏度探测技术的创新发展，有望将该技术的探测灵敏度提高到ppm甚至ppb水平，探测距离从实验室尺度扩展到公里级的自由空间尺度，满足大气检测的实际应用需求，服务于国家“双碳”战略。

　　相关工作得到了国家自然科学基金优青项目、重点项目、上海市优秀学术带头人、上海市市级科技重大专项、中科院青促会等项目的支持。（强场激光物理国家重点实验室供稿）

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图1 空气激光辅助的相干拉曼散射技术的基本原理：（a）空气激光和相干拉曼散射的产生过程示意图；（b）展宽后的泵浦光谱与原始光谱的对比；（c）空气激光的频谱和空间分布。

图2 利用空气激光辅助的相干拉曼光谱技术测得的（a）空气中浓度为0.5%的CO2，（b）浓度为0.1%的SF6，（c）浓度为0.5%的CO2与浓度为0.1%的SF6混合物的拉曼信号；（d）空气中浓度均为0.4%的12CO2和13CO2的拉曼信号。

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