空气激光——温室气体和同位素检测的“远程探针”

导读

空气激光（air lasing）是以空气的主要成分或其衍生物为增益介质，通过无腔放大方式产生的相干辐射。它以高能量飞秒激光脉冲产生的低温等离子体通道——“飞秒光丝”为载体，具有天然的远程产生能力，并具备高亮度、窄线宽、沿特定方向传输等优点。因此，自从空气激光被发现以来，其在大气遥感领域的应用就引起国内外研究者的极大关注。然而，如何使用“空气激光”这一新利器精确“诊断”大气呢？最近，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给出了答案。该团队 道了一种空气激光辅助的相干拉曼散射技术，并利用该技术成功记录了大气中温室气体CO 2 和SF 6 的“分子指纹”，实现了大气中浓度低至万分之三的温室气体检测，并展示了该技术的多组分同时测量以及CO 2 同位素分辨的能力。

大气污染物和生化制剂的高灵敏度远程探测对于环境科学和国防安全至关重要。超强超短激光技术日新月异的发展为远程光学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、无衍射自由传输的能力；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”这一新利器进行大气检测，在原理方法、灵敏度和稳定性等方面仍面临着巨大的挑战。

空气激光辅助的相干拉曼光谱技术的基本原理如图1所示。飞秒激光与空气的极端非线性作用，一方面激发空气分子的光学增益，实现了1000倍以上的种子放大，产生了波长为428 nm、线宽为13 cm -1 的氮气离子空气激光。同时，飞秒激光在大气中非线性传输，将频谱带宽拓展到3800 cm -1 ，比入射光谱宽一个数量级以上，足以激发空气中大部分污染物分子和温室气体的相干拉曼振动。当空气激光遇到相干振动的分子，有效产生相干拉曼散射。通过记录相干拉曼信号与空气激光的频移，即“拉曼指纹”，便可以得知分子的“身份信息”——化学成分。

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机制示意图；（b）展宽后的泵浦光光谱与原始光谱的对比；（c）空气激光的频谱和空间分布。

空气激光辅助的相干拉曼光谱技术，结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，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。因此该技术能够满足多组分测量和化学特异性的需求。 在该研究中，通过采用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，提高了探测灵敏度和稳定性。该研究团队利用空气激光辅助的相干拉曼光谱技术，测量了大气中CO 2 和SF 6 的拉曼信号强度与相应气体浓度的定量关系， CO 2 和SF 6 的最小探测浓度分别为0.1%和0.03%，最小信号抖动均达到2%的水平（图2）。

图2. 实验测得的相干拉曼信号强度与气体浓度的定量关系。插图为最小浓度下测量的CO 2 和SF 6 的拉曼信号，CO 2 （1388 cm -1 拉曼峰）和SF 6 的最小探测浓度分别为0.1%和0.03%。

进一步，研究者在空气、CO 2 和SF 6 的混合气体中展示了该技术可以用于 多组分同时测量，如图3(a)-(c)所示，这得益于飞秒激光多组分激发以及空气激光多组分分辨的能力。更加重要的是，利用空气激光辅助的相干拉曼光谱技术，还可以 有效区分12 CO 2 和 13 CO 2的同位素气体，如图3(d)所示。

图3. 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CO 2 ，（b）浓度为0.1%的SF 6 ,（c）浓度为0.5%的CO 2 与浓度为0.1%的SF 6 混合物的拉曼信号；（d）空气中浓度均为0.4%的 12 CO 2 和 13 CO 2 的拉曼信号。

总结与展望

空气激光辅助相干拉曼光谱技术，融合了飞秒激光和空气激光各自的优势，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。多种污染物和温室气体关联测量以及CO 2 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，也是该技术相对于传统遥感技术的重要优势。然而，要实现大气中痕量污染物的高精度测量，需要将探测灵敏度提高到ppm甚至ppb水平，将探测距离从实验室尺度扩展到公里级的空间尺度。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，该技术有望在探测距离和灵敏度方面得到显著提升，满足大气检测的实际应用需求，服务于国家“双碳”战略。

致谢

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。