作者：王敏 來源： 中國科學(xué)報(bào) 發(fā)布時(shí)間：2024-9-19

本報(bào)訊（記者王敏）中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉、竇賢康、張強(qiáng)和薛向輝等人組成的交叉研究團(tuán)隊(duì)，通過發(fā)展大功率低噪聲光梳，結(jié)合時(shí)間頻率傳遞等量子精密測量技術(shù)，在國際上首次實(shí)現(xiàn)百公里級(jí)開放大氣雙光梳光譜測量。該技術(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，還可擴(kuò)展到衛(wèi)星和地面之間的大氣雙光梳光譜測量，用于全球尺度溫室氣體監(jiān)測和精確校準(zhǔn)。近日，相關(guān)成果在線發(fā)表于《自然-光子學(xué)》。

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)。目前，大氣光譜遙感使用的光柵光譜儀、外差光譜幅度計(jì)和傅里葉變換光譜儀等技術(shù)，能夠以不同時(shí)間和空間分辨率提供地球大氣成分的光譜學(xué)數(shù)據(jù)。然而，這些技術(shù)存在諸多限制，如無法在夜間進(jìn)行測量、無法同時(shí)測量多種組分等。

近年來，開放大氣雙光梳光譜技術(shù)被證明是進(jìn)行準(zhǔn)確、連續(xù)、多氣體測量的理想技術(shù)。該技術(shù)具有高采集速度、溯源至原子鐘級(jí)別的絕對(duì)頻率精度及可以同時(shí)測量多個(gè)組分等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于油田監(jiān)測、城市車輛排放測量、畜牧排放測量和溫室氣體監(jiān)測等領(lǐng)域。

該技術(shù)還不受湍流散斑和背景噪聲的影響，理論上能夠在不校準(zhǔn)的情況下測量更長的距離，因此被認(rèn)為是用于大氣遙感的理想精密光譜工具。然而，當(dāng)前國際上所能實(shí)現(xiàn)的最遠(yuǎn)測量距離不超過20公里，只能針對(duì)工廠、牧場等小范圍區(qū)域?qū)崿F(xiàn)監(jiān)測，無法應(yīng)用于更大區(qū)域，如大型城市、雨林等。

在此次工作中，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新的雙基站方案——開放大氣雙光梳光譜測量方案。相比于傳統(tǒng)單基站方案，新方案無須在測量遠(yuǎn)端放置反射器，光只需要經(jīng)過待測路徑一次即可完成測量，從而極大減少了鏈路損耗，因此更適用于遠(yuǎn)距離、大尺度的測量。

利用該方案，研究團(tuán)隊(duì)在烏魯木齊成功測量得到113公里水平開放大氣中水汽和二氧化碳的強(qiáng)度譜和相位譜，該距離比國際上最遠(yuǎn)的測量距離高約一個(gè)數(shù)量級(jí)。該工作創(chuàng)新性地融合了高精度自由空間時(shí)間頻率傳遞技術(shù)，頻率準(zhǔn)確度達(dá)到10千赫茲，并通過自主研發(fā)的高精度反演算法，實(shí)現(xiàn)二氧化碳反演精度在36分鐘內(nèi)小于0.6ppm。

該工作使得雙光梳光譜能夠測量的大氣距離從十幾公里提升至100多公里，擴(kuò)大了該技術(shù)的應(yīng)用范圍。同時(shí)，系統(tǒng)可容忍最大損耗為83分貝，與中高軌星地鏈路損耗相當(dāng)，為實(shí)現(xiàn)未來星地大氣雙光梳光譜測量奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41566-024-01525-9

原文鏈接：https://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2024/9/381225.shtm