中国科大实现百公里开放大气双光梳精密光谱测量

由中国科学技术大学潘建伟、窦贤康、张强和薛向辉教授等人组成的交叉研究团队，通过发展大功率低噪声光梳，结合时间频率传递等量子精密测量技术，在国际上首次实现百公里级的开放大气双光梳光谱测量。该技术可应用于监测大尺度范围的地球大气温室气体（GHG）和污染气体，还可以扩展到卫星和地面之间的大气双光梳光谱测量，用于全球尺度的温室气体监测和精确校准。相关结果于9月12日在线发表于国际学术期刊《自然·光子学》上。

大气光谱学是研究大气化学和物理性质的关键技术，通过探究光与大气中分子和颗粒的相互作用来研究大气问题，广泛应用于全球气候变化、碳预算评估和空气污染研究等领域。目前大气光谱遥感所使用的光栅光谱仪、外差光谱幅度计和傅里叶变换光谱仪（FTS）等技术能够以不同的时间和空间分辨率提供地球大气成分的光谱学数据。然而，这些技术存在诸多限制，如无法在夜间进行测量、无法同时测量多种组分等。

近年来，开放大气双光梳光谱技术（Dual-Comb Spectroscopy）被证明是进行准确、连续、多气体测量的理想技术。双光梳光谱技术具有高采集速度、溯源至原子钟级别的绝对频率精度和可以同时测量多个组分等优点，在油田监测、城市车辆排放、畜牧排放测量和温室气体监测等领域有广泛应用。该技术不受湍流散斑和背景噪声的影响，在原理上能够在不校准的情况下测量更长的距离，因此被认为是用于大气遥感的理想精密光谱工具。然而，当前国际上所能实现的最远的测量距离不超过20公里，只能针对工厂、牧场等小范围区域实现监测，而无法应用于更大的区域，如大型城市、雨林等。

在本工作中，研究团队开发了一种新的双基站开放大气双光梳光谱测量方案。相比于传统单基站方案，该方案无需在测量远端放置反射器，光只需要经过待测路径一次即可完成测量，从而极大地减小了链路损耗，因此更适用于远距离、大尺度的测量。利用该方案，研究团队在乌鲁木齐成功测量得到113公里水平开放大气中水汽和二氧化碳的强度谱和相位谱，该距离比国际上最远的测量距离高了约一个数量级。该工作创新性地融合了潘建伟、张强等前期发展的高精度自由空间时间频率传递技术[Nature 610, 661 (2022)]，频率准确度达到了10kHz，并通过自主研发的高精度反演算法，实现的二氧化碳反演精度在36分钟内小于0.6ppm。

该工作使得双光梳光谱能够测量的大气距离从十几公里提升至一百多公里，扩大了该技术的应用范围。同时，系统可容忍最大损耗为83dB，与中高轨星地链路损耗相当，为实现未来的星地大气双梳光谱测量奠定了坚实基础。

该工作是量子信息科学与地球科学深度交叉融合所取得的重要成果，预示着基于光频梳的量子精密测量技术将在地球科学、深空探测、环境科学和油气行业等领域得到广泛应用。

中国科学技术大学博士生韩金剑、钟伟和副研究员赵若灿是本论文的共同第一作者。该工作得到国家自然科学基金委、科技部、中国科学院、国家发展改革委、安徽省、上海市和山东省相关项目的支持。

图1：百公里开放大气双光梳光谱测量示意图

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41566-024-01525-9

（科研部、物理学院、合肥微尺度物质科学国家研究中心、中国科学院量子信息与量子科技创新研究院）