新型激光技术可精确监测大气污染物

根据发表在《APL Photonics》上的一项研究，马克斯-普朗克光科学研究所（MPL）的科学家们开发出了一种增强型激光技术，旨在精确探测和监测大气中的气候污染物。

甲烷和二氧化碳一样，是导致全球变暖的重要因素。

高功率镱薄盘激光器为光学参量振荡器（OPO）提供动力，从而在短波红外（SWIR）光谱带产生稳定的高功率脉冲。这使研究人员能够检测和分析多种大气化合物。这项创新技术在跟踪温室气体循环和了解气候变化影响方面发挥着至关重要的作用。

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采用镱薄盘激光器的光学参量振荡器泵浦。

短期污染物对全球变暖有显著影响。例如，甲烷与温室效应的关系尤为密切，因为它的升温潜力是二氧化碳的 25 倍。然而，由于两个主要原因，检测和监测这些污染物具有挑战性。

首先，在通常用于检测的传统红外波段中，许多气体的吸收光谱会重叠，并受到水蒸气的干扰。其次，由于这些污染物在大气中易挥发，因此难以追踪。新的激光技术克服了这些挑战，将重点放在了SWIR波段，甲烷等污染物对该波段的吸收很强，而水蒸气对该波段的吸收却很小。

镱薄盘激光器以百万赫兹的重复频率产生高功率飞秒脉冲，是这一突破的核心。这使得激光能够泵浦 OPO，从而将脉冲转换到具有超强强度和功率的 SWIR 区域。

OPO 能够产生稳定、可调的 SWIR 脉冲，是高灵敏度光谱应用的理想选择，其工作频率是泵浦激光器的两倍。此外，该团队的创新方法还包括对 OPO 输出进行宽带高频调制，从而提高信噪比，实现更精确的探测。

马克斯-普朗克光科学研究所博士生Anni Li：“由于镱薄盘激光器的功率可扩展性，我们激光系统的输出可以扩展到更高的平均功率和峰值功率。利用该系统对污染物进行实时精确检测，可以更深入地了解温室气体的动态变化。这将有助于解决我们在了解气候变化方面所面临的一些挑战。”

场分辨光谱学和飞秒场镜技术使研究人员能够在干扰最小的情况下检测和研究各种大气化合物，而激光器在SWIR波段产生高功率稳定脉冲的能力则增强了这一技术。

马克斯-普朗克光科学研究所首席研究员兼研究组组长Hanieh Fattahi博士：“这项新技术不仅适用于大气监测和气体传感，而且在其他科学领域也具有潜力，例如需要高带宽调制激光器的地球轨道通信领域。”

研究人员计划进一步开发该系统，为地对空光通信和实时污染物监测创建一个灵活的平台。

相关链接：https://doi.org/10.1063/5.0230388