中國科大實現(xiàn)百公里開放大氣雙光梳精密光譜測量
【化工儀器網(wǎng) 項目成果】大氣光譜學(xué)是研究大氣化學(xué)和物理性質(zhì)的關(guān)鍵技術(shù)，通過探討光與大氣中分子和顆粒的相互作用來揭示大氣問題。然而，傳統(tǒng)的大氣光譜遙感技術(shù)，如光柵光譜儀、外差光譜幅度計和傅里葉變換光譜儀等，雖能在不同時間和空間分辨率下提供地球大氣成分的光譜學(xué)數(shù)據(jù)，但存在諸多限制，如無法在夜間進(jìn)行測量、無法同時測量多種組分等。
雙光梳光譜技術(shù)(Dual-Comb Spectroscopy, DCS)作為一種新興技術(shù)，以其高采集速度、溯源至原子鐘級別的絕對頻率精度和能夠同時測量多個組分的優(yōu)勢，近年來在大氣監(jiān)測領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。然而，以往的DCS研究多局限于較短的開放大氣路徑內(nèi)，限制了其在更廣闊范圍的應(yīng)用。
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、竇賢康、張強(qiáng)和薛向輝等組成的交叉研究團(tuán)隊，通過發(fā)展大功率低噪聲光梳，結(jié)合時間頻率傳遞等量子精密測量技術(shù)，在國際上首次實現(xiàn)百公里級的開放大氣雙光梳光譜測量(Dual-Comb Spectroscopy over a 100 km open-air path)。這一技術(shù)可應(yīng)用于監(jiān)測大尺度范圍的地球大氣溫室氣體和污染氣體，并可以擴(kuò)展到衛(wèi)星和地面之間的大氣雙光梳光譜測量，用于全球尺度的溫室氣體監(jiān)測和精確校準(zhǔn)。
研究團(tuán)隊，開發(fā)了一種新穎的雙基站開放大氣雙光梳光譜測量方案。該方案采用雙靜態(tài)配置，部署了兩個高功率光頻梳于兩個遠(yuǎn)端終端，通過大氣傳輸并在接收終端相互干涉，實現(xiàn)了在113公里水平開放大氣路徑上的DCS測量。這一距離比國際上最遠(yuǎn)的測量距離高了約一個數(shù)量級，創(chuàng)下了新的世界紀(jì)錄。利用該方案，科研人員在烏魯木齊測量得到113公里水平開放大氣中水汽和二氧化碳的強(qiáng)度譜與相位譜。這一距離比國際上最遠(yuǎn)的測量距離高了約一個數(shù)量級。該工作創(chuàng)新性地融合了潘建偉、張強(qiáng)等前期發(fā)展的高精度自由空間時間頻率傳遞技術(shù)且頻率準(zhǔn)確度達(dá)到10kHz，并運(yùn)用自主研發(fā)的高精度反演算法，使二氧化碳反演精度在36分鐘內(nèi)小于0.6ppm。
上述研究是量子信息科學(xué)與地球科學(xué)深度交叉融合取得的成果。這一里程碑式的成就不僅標(biāo)志著大氣光譜測量技術(shù)的重大突破，也為全球氣候變化研究、碳預(yù)算評估和空氣污染監(jiān)測等領(lǐng)域提供了新的強(qiáng)大工具。
相關(guān)研究成果Dual-comb spectroscopy over a 100 km open-air path于近日在線發(fā)表在《自然-光子學(xué)》(Nature Photonics)上。
資料來源： 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
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