科学家实现温室气体高灵敏度测量和同位素分辨

近日，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。相关成果已发表于《超快科学》。

近年来，“空气激光”的发现与广泛研究，为超快光学遥感注入了新活力。空气激光以大气为增益介质，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。

在这项研究中，科技人员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（六氟化硫）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。

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同位素分辨方面的优势。

专家表示，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。未来，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，可将探测距离扩展到公里级空间尺度，满足大气检测的实际应用需求，服务于国家“双碳”战略。