空氣激光：溫室氣體和同位素檢測的“遠程探針”

空氣激光（air lasing）是以空氣的主要成分或其衍生物為增益介質，通過無腔放大方式產生的相干輻射。它以高能量飛秒激光脈沖產生的低溫等離子體通道——“飛秒光絲”為載體，具有天然的遠程產生能力，并具備高亮度、窄線寬、沿特定方向傳輸等優點。因此，自從空氣激光被發現以來，其在大氣遙感領域的應用就引起國內外研究者的極大關注。然而，如何使用“空氣激光”這一新利器精確“診斷”大氣呢？最近，中科院上海光機所強場激光物理國家重點實驗室研究團隊給出了答案。該團隊報道了一種空氣激光輔助的相干拉曼散射技術，并利用該技術成功記錄了大氣中溫室氣體CO2和SF6的“分子指紋”，實現了大氣中濃度低至萬分之三的溫室氣體檢測，并展示了該技術的多組分同時測量以及CO2同位素分辨的能力。

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Zhihao Zhang, Fangbo Zhang, Bo Xu, Hongqiang Xie, Botao Fu, Xu Lu, Ning Zhang, Shupeng Yu, Jinping Yao, Ya Cheng, Zhizhan Xu, "High-Sensitivity Gas Detection with Air-Lasing-Assisted Coherent Raman Spectroscopy", Ultrafast Science, vol. 2022, Article ID 9761458, 8 pages, 2022. 

大氣污染物和生化制劑的高靈敏度遠程探測對于環境科學和國防安全至關重要。超強超短激光技術日新月異的發展為遠程光學遙感提供了有力工具。這一方面得益于高能量飛秒激光成絲在大氣中遠距離、無衍射自由傳輸的能力；另一方面，飛秒激光成絲誘導的一系列次級輻射源，如超連續白光、空氣激光、分子熒光等，為大氣遙感提供了天然的遠程“探針”。因此，基于超快激光的光學遙感技術在過去二十余年來備受矚目。近幾年，空氣激光的發現與廣泛研究為超快光學遙感注入了新的活力?？諝饧す?，以無處不在的大氣為增益介質，以飛秒激光成絲產生的等離子體通道為載體，并具有強度高、光譜窄、空間指向性好、與泵浦光束天然重合等優點，使其成為大氣檢測的理想“探針”。然而，利用“空氣激光”這一新利器進行大氣檢測，在原理方法、靈敏度和穩定性等方面仍面臨著巨大的挑戰。

中科院上海光機所強場激光物理國家重點實驗室研究團隊自2011年在國際上率先報道強場電離誘導的“空氣激光”現象以來[Phys. Rev. A 84, 051802 (2011)]，一直致力于空氣激光的強場物理與遙感應用研究。近期，該團隊利用空氣激光，發展了一種高靈敏度的相干拉曼光譜技術，實現了大氣中溫室氣體濃度的定量檢測、多組分同時探測和CO2同位素識別，探測靈敏度達到0.03%的水平，最小信號抖動達到2%的水平。相關研究以High-Sensitivity Gas Detection with Air-Lasing-Assisted Coherent Raman Spectroscopy為題發表于Ultrafast Science。

空氣激光輔助的相干拉曼光譜技術的基本原理如圖1所示。飛秒激光與空氣的極端非線性作用，一方面激發空氣分子的光學增益，實現了1000倍以上的種子放大，產生了波長為428 nm、線寬為13 cm-1的氮氣離子空氣激光。同時，飛秒激光在大氣中非線性傳輸，將頻譜帶寬拓展到3800 cm-1，比入射光譜寬一個數量級以上，足以激發空氣中大部分污染物分子和溫室氣體的相干拉曼振動。當空氣激光遇到相干振動的分子，有效產生相干拉曼散射。通過記錄相干拉曼信號與空氣激光的頻移，即“拉曼指紋”，便可以得知分子的“身份信息”——化學成分。

圖1. 空氣激光輔助的相干拉曼散射技術的基本原理：（a）空氣激光和相干拉曼散射的產生機制示意圖；（b）展寬后的泵浦光光譜與原始光譜的對比；（c）空氣激光的頻譜和空間分布。

空氣激光輔助的相干拉曼光譜技術，結合了飛秒激光和空氣激光的雙重優勢：飛秒激光光譜寬、脈寬短，可以同時激發很多氣體分子的相干振動；空氣激光光譜窄，用其作為探針，光譜分辨率高，可以有效區分不同分子的拉曼指紋。因此該技術能夠滿足多組分測量和化學特異性的需求。在該研究中，通過采用種子放大和偏振濾波技術，有效提升了相干拉曼信號的信噪比，顯著抑制了超連續白光產生引起的背景噪聲和信號抖動，提高了探測靈敏度和穩定性。該研究團隊利用空氣激光輔助的相干拉曼光譜技術，測量了大氣中CO2和SF6的拉曼信號強度與相應氣體濃度的定量關系，CO2和SF6的最小探測濃度分別為0.1%和0.03%，最小信號抖動均達到2%的水平（圖2）。

圖2. 實驗測得的相干拉曼信號強度與氣體濃度的定量關系。插圖為最小濃度下測量的CO2和SF6的拉曼信號，CO2（1388 cm-1拉曼峰）和SF6的最小探測濃度分別為0.1%和0.03%。

進一步，研究者在空氣、CO2和SF6的混合氣體中展示了該技術可以用于多組分同時測量，如圖3(a)-(c)所示，這得益于飛秒激光多組分激發以及空氣激光多組分分辨的能力。更加重要的是，利用空氣激光輔助的相干拉曼光譜技術，還可以有效區分12CO2和13CO2的同位素氣體，如圖3(d)所示。

圖片

圖3. 利用空氣激光輔助的相干拉曼光譜技術測得的（a）空氣中濃度為0.5%的CO2，（b）濃度為0.1%的SF6,（c）濃度為0.5%的CO2與濃度為0.1%的SF6混合物的拉曼信號；（d）空氣中濃度均為0.4%的12CO2和13CO2的拉曼信號。

總結與展望

空氣激光輔助相干拉曼光譜技術，融合了飛秒激光和空氣激光各自的優勢，不僅可以用于空氣中常見溫室氣體濃度的高靈敏度檢測，并且具有多組分測量和同位素分辨的能力。多種污染物和溫室氣體關聯測量以及CO2同位素檢測對于追溯大氣污染的源頭、研究碳循環過程、確認碳排放的源和匯具有重要意義，也是該技術相對于傳統遙感技術的重要優勢。然而，要實現大氣中痕量污染物的高精度測量，需要將探測靈敏度提高到ppm甚至ppb水平，將探測距離從實驗室尺度擴展到公里級的空間尺度。相信，通過高重頻、大能量飛秒激光技術以及高靈敏度探測技術的創新發展，該技術有望在探測距離和靈敏度方面得到顯著提升，滿足大氣檢測的實際應用需求，服務于國家“雙碳”戰略。

作 者 介 紹 

張志豪（第一作者），上?？萍即髮W與中科院上海光機所聯合培養的在讀博士生，主要從事飛秒激光與物質相互作用研究。在Ultrafast Science、Science Bulletin等期刊上發表論文9篇。

張方波（共同第一作者），中科院上海光機所在讀博士生，主要從事強場超快光學與非線性光譜技術研究。以第一作者、共同第一作者在Opt. Lett.、Phys. Rev. A等期刊上發表學術論文3篇。曾獲上海光機所優秀學生獎學金、三好學生榮譽。

姚金平（通訊作者），中科院上海光機所研究員，從事強場超快光學與非線性光譜技術研究。以第一/通訊作者在Phys. Rev. Lett.、Science Bulletin等發表論文38篇，研究成果入選“中國光學重要成果”、饒毓泰基礎光學獎和封面文章。在空氣激光方向的原創性工作單篇被引近200次。獲基金委“優青”項目資助、入選上海市優秀學術帶頭人、上海青年拔尖人才、上海市青年科技啟明星。任《中國激光》編委、Ultrafast Science青年編委。

程亞（通訊作者），中科院上海光機所研究員，華東師范大學物理與電子科學學院教授。主要從事超快非線性光學與激光微納制造研究，發表論文200余篇，引用萬余次，H因子大于50。國際學術會議大會和邀請報告100余次，獲得國家杰出青年科學基金資助、先后擔任國家973計劃項目、重點研發計劃項目首席科學家。出版中文專著1本，獨著及合編著英文專著5本。任美國光學學會會士、英國物理學會會士、中國光學學會理事。

徐至展（通訊作者），中科院上海光機所研究員，中國科學院學部委員（院士），第三世界科學院院士。中國慣性約束激光核聚變領域早期研究的主要領導人之一，中國超強超短激光科學與強場物理新領域的開拓者。曾任上海光機所所長，中國光學學會副理事長等職。曾長期主持激光核聚變研究，做出開拓性突出貢獻；在強激光與物質相互作用的重要前沿研究，取得系統科學發現；首次在國際上用類鋰和類鈉離子方案獲得8條新波長的X射線激光，最短波長已達到46.8埃；開拓中國超強超短激光科學與強場物理新領域，取得突破性成就。作為第一獲獎人獲國家科技進步獎一等獎1項、國家自然科學獎二等獎2項、國家發明獎二等獎1項、中國科學院自然科學獎和科技進步獎一等獎4項、上海市科技進步獎和自然科學獎一等獎2項等。1996年獲上海市科技功臣獎；1998年獲何梁何利基金科技進步獎。2006年國際超快強激光科學會議上，被授予“激光科學杰出貢獻”金牌獎等。