科學家實現溫室氣體高靈敏度測量和同位素分辨

近日，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利用空氣激光，發展了高靈敏度相干拉曼光譜技術，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同位素分辨，溫室氣體探測靈敏度達到0.03%，信號穩定性達到2%的水平。相關成果已發表于《超快科學》。

近年來，“空氣激光”的發現與廣泛研究，為超快光學遙感注入了新活力。空氣激光以大氣為增益介質，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挑戰。

在這項研究中，科技人員通過采用外加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，極大地提升了探測靈敏度和穩定性。利用空氣激光輔助的相干拉曼散射技術，該研究團隊測量了大氣中CO2和SF6（六氟化硫）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達到0.1%和0.03%的水平。

空氣激光輔助的相干拉曼散射技術融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，結合飛秒激光成絲的光譜展寬和脈沖自壓縮效應，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。該研究團隊在空氣、CO2和SF6的混合氣體中展示了該技術多組分同時測量的能力，并在實驗上證實了該技術在同位素分辨方面的優勢。

專家表示，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。未來，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，可將探測距離擴展到公里級空間尺度，滿足大氣檢測的實際應用需求，服務于國家“雙碳”戰略。