我国学者在开放大气双光梳精密光谱测量领域取得进展
2025/06/01
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图 百公里开放大气双光梳光谱测量示意图
在国家自然科学基金项目（批准号：42125402、42188101、T2125010和61825505）等资助下，中国科学技术大学薛向辉教授、张强教授、潘建伟院士等科研团队，在国际上首次实现了百公里级的开放大气双光梳光谱测量。相关结果以“100公里开放大气的双梳光谱技术（Dual-comb spectroscopy over a 100 km open-air path）”为题，于2024年9月12日在线发表在《自然?光子学》（Nature Photonics）。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41566-024-01525-9。
大气光谱学是研究大气化学和物理性质的关键技术。目前大气光谱遥感使用的光栅光谱仪、外差光谱幅度计和傅里叶变换光谱仪等技术存在无法在夜间进行测量、无法同时测量多种组分等限制，而开放大气双光梳光谱技术（Dual-Comb Spectroscopy）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，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 km，且只能针对工厂、牧场等小范围区域实现监测，无法应用于大型城市、雨林等大范围区域。
针对这一问题，研究团队创新性地融合了高精度自由空间时间频率传递技术，设计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，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，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。并且，研究团队将该方案应用于乌鲁木齐，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。
该研究是量子信息科学与地球科学深度交叉融合，使双光梳光谱测量大气距离从十几公里提升至一百多公里，且系统可容忍最大损耗与中高轨星地链路损耗相当，为实现星地大气双梳光谱测量奠定了基础。
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