中國科大實現百公里開放大氣雙光梳精密光譜測量
【化工儀器網 項目成果】大氣光譜學是研究大氣化學和物理性質的關鍵技術，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，傳統的大氣光譜遙感技術，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數據，但存在諸多限制，如無法在夜間進行測量、無法同時測量多種組分等。
雙光梳光譜技術(Dual-Comb Spectroscopy, DCS)作為一種新興技術，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勢，近年來在大氣監測領域展現出巨大潛力。然而，以往的DCS研究多局限于較短的開放大氣路徑內，限制了其在更廣闊范圍的應用。
中國科學技術大學潘建偉、竇賢康、張強和薛向輝等組成的交叉研究團隊，通過發展大功率低噪聲光梳，結合時間頻率傳遞等量子精密測量技術，在國際上首次實現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)。這一技術可應用于監測大尺度范圍的地球大氣溫室氣體和污染氣體，并可以擴展到衛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測和精確校準。
研究團隊，開發了一種新穎的雙基站開放大氣雙光梳光譜測量方案。該方案采用雙靜態配置，部署了兩個高功率光頻梳于兩個遠端終端，通過大氣傳輸并在接收終端相互干涉，實現了在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的測量距離高了約一個數量級，創下了新的世界紀錄。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度譜與相位譜。這一距離比國際上最遠的測量距離高了約一個數量級。該工作創新性地融合了潘建偉、張強等前期發展的高精度自由空間時間頻率傳遞技術且頻率準確度達到10kHz，并運用自主研發的高精度反演算法，使二氧化碳反演精度在36分鐘內小于0.6ppm。
上述研究是量子信息科學與地球科學深度交叉融合取得的成果。這一里程碑式的成就不僅標志著大氣光譜測量技術的重大突破，也為全球氣候變化研究、碳預算評估和空氣污染監測等領域提供了新的強大工具。
相關研究成果Dual-comb spectroscopy over a 100 km open-air path于近日在線發表在《自然-光子學》(Nature Photonics)上。
資料來源： 中國科學技術大學
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