大氣光譜學是研究大氣化學和物理性質的關鍵技術，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，廣泛應用于全球氣候變化、碳預算評估和空氣污染研究等領域。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數(shù)據(jù)。然而，這些技術存在較多限制，如無法在夜間進行測量、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被證明是進行準確、連續(xù)、多氣體測量的理想技術。雙光梳光譜技術具有高采集速度、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)測等領域應用廣泛。該技術不受湍流散斑和背景噪聲的影響，在原理上能夠在不校準的情況下測量更長的距離，被認為是用于大氣遙感的理想精密光譜工具。當前，國際上能夠實現(xiàn)的最遠的測量距離不超過20公里，只可針對工廠、牧場等小范圍區(qū)域實現(xiàn)監(jiān)測，無法應用于更大的區(qū)域如大型城市、雨林等。
該團隊開發(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度譜與相位譜。這一距離比國際上最遠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、張強等前期發(fā)展的高精度自由空間時間頻率傳遞技術且頻率準確度達到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，擴大了這一技術的應用范圍。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，為實現(xiàn)未來的星地大氣雙梳光譜測量奠定了基礎。
上述研究是量子信息科學與地球科學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有望在地球科學、深空探測、環(huán)境科學和油氣行業(yè)等領域得到應用。
研究工作得到國家發(fā)展和改革委員會、國家自然科學基金委員會、科學技術部、中國科學院、上海市、安徽省和山東省的支持。
百公里開放大氣雙光梳光譜測量示意圖
