中国科大实现百公里开放大气双光梳精密光谱测量
【化工仪器网 项目成果】大气光谱学是研究大气化学和物理性质的关键技术，通过探讨光与大气中分子和颗粒的相互作用来揭示大气问题。然而，传统的大气光谱遥感技术，如光栅光谱仪、外差光谱幅度计和傅里叶变换光谱仪等，虽能在不同时间和空间分辨率下提供地球大气成分的光谱学数据，但存在诸多限制，如无法在夜间进行测量、无法同时测量多种组分等。
双光梳光谱技术(Dual-Comb Spectroscopy, DCS)作为一种新兴技术，以其高采集速度、溯源至原子钟级别的绝对频率精度和能够同时测量多个组分的优势，近年来在大气监测领域展现出巨大潜力。然而，以往的DCS研究多局限于较短的开放大气路径内，限制了其在更广阔范围的应用。
中国科学技术大学潘建伟、窦贤康、张强和薛向辉等组成的交叉研究团队，通过发展大功率低噪声光梳，结合时间频率传递等量子精密测量技术，在国际上首次实现百公里级的开放大气双光梳光谱测量(Dual-Comb Spectroscopy over a 100 km open-air path)。这一技术可应用于监测大尺度范围的地球大气温室气体和污染气体，并可以扩展到卫星和地面之间的大气双光梳光谱测量，用于全球尺度的温室气体监测和精确校准。
研究团队，开发了一种新颖的双基站开放大气双光梳光谱测量方案。该方案采用双静态配置，部署了两个高功率光频梳于两个远端终端，通过大气传输并在接收终端相互干涉，实现了在113公里水平开放大气路径上的DCS测量。这一距离比国际上最远的测量距离高了约一个数量级，创下了新的世界纪录。利用该方案，科研人员在乌鲁木齐测量得到113公里水平开放大气中水汽和二氧化碳的强度谱与相位谱。这一距离比国际上最远的测量距离高了约一个数量级。该工作创新性地融合了潘建伟、张强等前期发展的高精度自由空间时间频率传递技术且频率准确度达到10kHz，并运用自主研发的高精度反演算法，使二氧化碳反演精度在36分钟内小于0.6ppm。
上述研究是量子信息科学与地球科学深度交叉融合取得的成果。这一里程碑式的成就不仅标志着大气光谱测量技术的重大突破，也为全球气候变化研究、碳预算评估和空气污染监测等领域提供了新的强大工具。
相关研究成果Dual-comb spectroscopy over a 100 km open-air path于近日在线发表在《自然-光子学》(Nature Photonics)上。
资料来源： 中国科学技术大学
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