上海光机所在空气激光的远程探测应用研究中取得新进展

相干拉曼散射是一种重要的非线性光谱技术，已被广泛用于物质检测、燃烧诊断、生物显微等领域。传统的相干拉曼光谱技术，通常需要多束激光实现分子振转相干性的激发与探测，并对多光束间的时空控制提出了很高的要求。因此，发展单光束相干拉曼散射技术是极具吸引力的研究方向，加州大学伯克利分校、德州农工大学、以色列魏茨曼科学研究所等科研机构都开展了相关研究。然而，以往方法通常需要使用空间光调制器对飞秒激光进行时间、频谱、偏振整形，不能用于大能量飞秒激光，而且拉曼激发光和探测光波长相近，导致拉曼信号的信噪比较低，难以进行痕量分子的灵敏检测。

针对上述问题，中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室研究团队基于空气激光的独特时频性质和远程产生能力，提出了一种新型单光束相干拉曼散射技术，实现了空气中温室气体SF6的定量测量，检测灵敏度达到千分之四的水平 [Opt. Lett. 47, 481 (2022)]。随后，该团队将基于空气激光的相干拉曼散射技术与种子放大技术、偏振滤波技术相结合，实现了浓度低至万分之三的温室气体检测，并展示了该技术在多组分同时测量、12CO2与13CO2精准分辨方面的独特优势，开拓了空气激光在远程探测领域的初步应用 [Ultrafast Science 2022, 9761458 (2022), 入选期刊封面论文和2021-2022年度10篇高影响力论文]。

最近，该研究团队进一步发展了电子共振增强的单光束相干拉曼散射技术，利用一束飞秒激光同时构建了拉曼共振和电子共振双共振条件，通过电子共振将拉曼信号提高了1-2个数量级。单光束电子共振增强相干拉曼散射不仅要求利用一束激光同时完成分子的相干振动的激发与探测过程，而且还要求激发光或探测光与待测物质的电子态跃迁共振，因此一直以来未见报道。该团队利用空气激光巧妙地解决了这一难题，发展的新技术不仅发挥了空气激光频谱窄、与泵浦光束天然重合的优势，而且空气激光频率与CO2+跃迁的完美匹配为拉曼散射创造了电子共振条件，为大幅提升拉曼散射效率提供了简单有效的方法。相关成果发表在近期的Laser Photonics Reviews上。

基于空气激光的相干拉曼光谱技术体现了空气激光在时间、空间、频率三大维度上的独特优势，并结合了飞秒激光多组分激发和空气激光高光谱分辨的双重优势，具备多组分同时检测和同位素分子甄别的独特能力，为复杂大气分子灵敏探测提供了全新技术方案。此外，该技术以天然产生的空气激光为探测光，将传统多光束相干拉曼散射简化为单光束，光路简单，无需多光束多色场时空精密控制，适用于高温高压湍流环境和复杂大气环境的远程探测，是一种简单实用的共性光谱技术。

相关工作得到了国家自然科学基金重点项目、面上项目、中科院基础研究领域青年团队计划、上海市优秀学术带头人等项目的支持。

图1 单光束电子共振增强相干拉曼散射的基本原理

图2 不同浓度CO2气体中测得的拉曼光谱，阴影区为电子共振增强的相干拉曼信号