圖1.百公里開(kāi)放大氣雙光梳光譜測(cè)量示意圖

由中國(guó)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(guò)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(cè)量技術(shù)，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)百公里級(jí)的開(kāi)放大氣雙光梳光譜測(cè)量。該技術(shù)可應(yīng)用于監(jiān)測(cè)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(cè)量，用于全球尺度的溫室氣體監(jiān)測(cè)和精確校準(zhǔn)。相關(guān)結(jié)果于9月12日在線發(fā)表于國(guó)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(guò)探究光與大氣中分子和顆粒的相互作用來(lái)研究大氣問(wèn)題，廣泛應(yīng)用于全球氣候變化、碳預(yù)算評(píng)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(wú)法在夜間進(jìn)行測(cè)量、無(wú)法同時(shí)測(cè)量多種組分等。

近年來(lái)，開(kāi)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(cè)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(jí)別的絕對(duì)頻率精度和可以同時(shí)測(cè)量多個(gè)組分等優(yōu)點(diǎn)，在油田監(jiān)測(cè)、城市車輛排放、畜牧排放測(cè)量和溫室氣體監(jiān)測(cè)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(cè)量更長(zhǎng)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(guó)際上所能實(shí)現(xiàn)的最遠(yuǎn)的測(cè)量距離不超過(guò)20公里，只能針對(duì)工廠、牧場(chǎng)等小范圍區(qū)域?qū)崿F(xiàn)監(jiān)測(cè)，而無(wú)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(kāi)發(fā)了一種新的雙基站方案開(kāi)放大氣雙光梳光譜測(cè)量方案。相比于傳統(tǒng)單基站方案，該方案無(wú)需在測(cè)量遠(yuǎn)端放置反射器，光只需要經(jīng)過(guò)待測(cè)路徑一次即可完成測(cè)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(cè)量。利用該方案，研究團(tuán)隊(duì)在烏魯木齊成功測(cè)量得到113公里水平開(kāi)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(guó)際上最遠(yuǎn)的測(cè)量距離高了約一個(gè)數(shù)量級(jí)。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(guò)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(cè)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(lái)的星地大氣雙梳光譜測(cè)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(cè)量技術(shù)將在地球科學(xué)、深空探測(cè)、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(guó)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(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、中國(guó)科學(xué)院、國(guó)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