中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、竇賢康、張強(qiáng)和薛向輝等組成的交叉研究團(tuán)隊，通過發(fā)展大功率低噪聲光梳，結(jié)合時間頻率傳遞等量子精密測量技術(shù)，在國際上首次實現(xiàn)百公里級的開放大氣雙光梳光譜測量。這一技術(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，并可以擴(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)。9月12日，相關(guān)研究成果在線發(fā)表在《自然-光子學(xué)》（Nature?Photonics）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)，通過探討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，大氣光譜遙感使用的光柵光譜儀、外差光譜幅度計和傅里葉變換光譜儀等技術(shù)能夠以不同的時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)存在較多限制，如無法在夜間進(jìn)行測量、無法同時測量多種組分等。

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)。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測量多個組分等優(yōu)點，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)域應(yīng)用廣泛。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，被認(rèn)為是用于大氣遙感的理想精密光譜工具。當(dāng)前，國際上能夠?qū)崿F(xiàn)的最遠(yuǎn)的測量距離不超過20公里，只可針對工廠、牧場等小范圍區(qū)域?qū)崿F(xiàn)監(jiān)測，無法應(yīng)用于更大的區(qū)域如大型城市、雨林等。

該團(tuán)隊開發(fā)出新的雙基站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，從而減小了鏈路損耗，更適用于遠(yuǎn)距離、大尺度的測量。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(qiáng)度譜與相位譜。這一距離比國際上最遠(yuǎn)的測量距離高了約一個數(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間頻率傳遞技術(shù)且頻率準(zhǔn)確度達(dá)到10kHz，并運用自主研發(fā)的高精度反演算法，使二氧化碳反演精度在36分鐘內(nèi)小于0.6ppm。

該研究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)大了這一技術(shù)的應(yīng)用范圍。同時，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)，為實現(xiàn)未來的星地大氣雙梳光譜測量奠定了基礎(chǔ)。

上述研究是量子信息科學(xué)與地球科學(xué)深度交叉融合取得的成果，基于光頻梳的量子精密測量技術(shù)有望在地球科學(xué)、深空探測、環(huán)境科學(xué)和油氣行業(yè)等領(lǐng)域得到應(yīng)用。

研究工作得到國家發(fā)展和改革委員會、國家自然科學(xué)基金委員會、科學(xué)技術(shù)部、中國科學(xué)院、上海市、安徽省和山東省的支持。

論文鏈接

百公里開放大氣雙光梳光譜測量示意圖