來自中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所的最新研究，探測出了一種新的大氣探測新工具。
超快激光技術(shù)以其高峰值功率、短脈沖持續(xù)時間和寬光譜覆蓋的獨(dú)特優(yōu)勢，為大氣污染物和有害生物化學(xué)劑的遙感提供了新的策略。特別是，空氣激光由于能夠在戶外產(chǎn)生無腔光放大，在大氣遙感中顯示出良好的前景。它適合作為大氣診斷的探針。
實(shí)驗(yàn)裝置。M1，M2：反射鏡；L1-L5：透鏡；SP：藍(lán)寶石板；BBO：β-硼酸鋇；DM1-DM3：二向色鏡；GT：格蘭-泰勒棱鏡；F1：中心波長為428的窄帶濾波器?nm和1的帶寬?納米；F2：可變?yōu)V波器的組合，用于記錄不同波長的拉曼信號。泵浦、種子和空氣激光的偏振狀態(tài)和時間序列示意圖如插圖所示。來源：Ultrafast Science (2022). DOI: 10.34133/2022/9761458
最近，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所（SIOM）的一個研究團(tuán)隊提出了一種空氣激光輔助相干拉曼光譜，該光譜實(shí)現(xiàn)了兩種溫室氣體的定量測量和同時檢測，以及CO2同位素的識別。檢測靈敏度達(dá)到0.03%，最小信號波動約為2%。
這項研究發(fā)表在4月8日的《超快科學(xué)》雜志上。
飛秒激光與空氣分子的極非線性相互作用激發(fā)了分子氮離子的光學(xué)增益，并實(shí)現(xiàn)了1000倍以上的種子放大，從而產(chǎn)生線寬為13 cm-1的428 nm空氣激光。
基于空氣激光的拉曼光譜溫室氣體檢測的基本原理。
同時，經(jīng)過非線性傳輸后，泵浦激光的光譜寬度達(dá)到3800 cm-1，比入射激光的光譜寬一個數(shù)量級以上。
因此，它能夠激發(fā)大多數(shù)污染物和溫室氣體的分子相干振動。當(dāng)空氣激光遇到相干振動的分子時，它將有效地產(chǎn)生相干拉曼散射。通過記錄拉曼信號和空氣激光的頻率差，即拉曼指紋，可以確定分子身份信息。
典型拉曼光譜。
空氣激光輔助相干拉曼光譜結(jié)合了飛秒激光和空氣激光的優(yōu)點(diǎn)。飛秒激光具有較寬的光譜覆蓋范圍和較短的脈沖持續(xù)時間，可以同時激發(fā)多個分子的相干振動。空氣激光具有較窄的光譜寬度，能夠區(qū)分不同分子的拉曼指紋。因此，該技術(shù)可以滿足多組分測量和化學(xué)特異性的需要。
此外，研究人員證明，該技術(shù)可用于多組分同時測量和區(qū)分12CO2和13CO2。同時測量各種污染物和溫室氣體以及檢測CO2同位素對于追蹤空氣污染源和研究碳循環(huán)具有重要意義。
然而，對于痕量氣體遠(yuǎn)程檢測的實(shí)際應(yīng)用，有必要將檢測靈敏度提高到ppm甚至ppb水平，并將檢測距離從實(shí)驗(yàn)室尺度擴(kuò)展到公里尺度。
拉曼信號的強(qiáng)度是氣體壓力的函數(shù)。
來源：High-Sensitivity Gas Detection with Air-Lasing-Assisted Coherent Raman Spectroscopy, Ultrafast Science (2022). DOI: 10.34133/2022/9761458
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