圖1.百公里開放大氣雙光梳光譜測量示意圖

由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、竇賢康、張強(qiáng)和薛向輝教授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)百公里級的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(GHG)和污染氣體，還可以擴(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)。相關(guān)結(jié)果于9月12日在線發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《自然·光子學(xué)》上。

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)，通過探究光與大氣中分子和顆粒的相互作用來研究大氣問題，廣泛應(yīng)用于全球氣候變化、碳預(yù)算評估和空氣污染研究等領(lǐng)域。目前大氣光譜遙感所使用的光柵光譜儀、外差光譜幅度計(jì)和傅里葉變換光譜儀(FTS)等技術(shù)能夠以不同的時(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)(Dual-Comb Spectroscopy)被證明是進(jìn)行準(zhǔn)確、連續(xù)、多氣體測量的理想技術(shù)。雙光梳光譜技術(shù)具有高采集速度、溯源至原子鐘級別的絕對頻率精度和可以同時(shí)測量多個(gè)組分等優(yōu)點(diǎn)，在油田監(jiān)測、城市車輛排放、畜牧排放測量和溫室氣體監(jiān)測等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。該技術(shù)不受湍流散斑和背景噪聲的影響，在原理上能夠在不校準(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)的測量距離不超過20公里，只能針對工廠、牧場等小范圍區(qū)域?qū)崿F(xiàn)監(jiān)測，而無法應(yīng)用于更大的區(qū)域，如大型城市、雨林等。

在本工作中，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，該方案無需在測量遠(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，從而極大地減小了鏈路損耗，因次更適用于遠(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)的測量距離高了約一個(gè)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(shí)間頻率傳遞技術(shù)[Nature 610, 661 (2022)]，頻率準(zhǔn)確度達(dá)到了10kHz，并通過自主研發(fā)的高精度反演算法，實(shí)現(xiàn)的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一百多公里，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83dB，與中高軌星地鏈路損耗相當(dāng)，為實(shí)現(xiàn)未來的星地大氣雙梳光譜測量奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

該工作是量子信息科學(xué)與地球科學(xué)深度交叉融合所取得的重要成果，預(yù)示著基于光頻梳的量子精密測量技術(shù)將在地球科學(xué)、深空探測、環(huán)境科學(xué)和油氣行業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士生韓金劍、鐘偉和副研究員趙若燦是本論文的共同第一作者。該工作得到國家自然科學(xué)基金委、科技部、中國科學(xué)院、國家發(fā)展改革委、安徽省、上海市和山東省相關(guān)項(xiàng)目的支持。

審核編輯 黃宇