甲烷与二氧化碳一起显著促进全球变暖。为了有效识别和追踪我们大气中的这些气候污染物，来自马克斯·普朗克光科学研究所（MPL）的科学家们开发了一种先进的激光技术。该系统利用强大的镱掺杂薄盘激光器驱动光参量振荡器（OPO），在短波红外（SWIR）光谱范围内产生稳定、高功率的脉冲。这一进展使研究人员能够检测和评估广泛的大气成分。这项创新技术对于监测温室气体循环和理解气候变化影响至关重要，最近在期刊《APL Photonics》中得到了强调。
短寿命污染物，如甲烷，是全球变暖的重要成分。甲烷的温室效应影响尤为显著，其效力是二氧化碳的25倍。然而，检测和观察这些污染物面临两个重大挑战。首先，水蒸气通过与许多气体的吸收谱在常用红外检测范围内重叠，复杂化了检测过程。其次，这些污染物的瞬态特性使其难以准确监测。通过专注于SWIR范围——甲烷在该范围内显著吸收而水吸收较低——新激光系统在检测中实现了无与伦比的灵敏度和准确性。
这一突破的关键组成部分是镱掺杂薄盘激光器，它以兆赫重复率发出高功率的飞秒脉冲。这一能力使该系统能够有效泵浦OPO，将激光脉冲转换为强度和功率都令人印象深刻的SWIR范围。OPO以泵浦激光器的双倍重复率工作，产生稳定、可调的SWIR脉冲，专为高灵敏度光谱任务量身定制。研究团队还结合了OPO输出的宽带高频调制，以增强信噪比，从而提高检测准确性。
“我们的激光系统的输出可以通过镱掺杂薄盘激光器的可扩展性来增强，以获得更高的平均功率和峰值功率。使用该系统进行精确的实时污染物检测使我们能够更深入地了解温室气体的动态。这可能有助于解决理解气候变化的一些重大挑战，”MPL的博士生Anni Li说道。
该激光在SWIR范围内产生高功率、稳定脉冲的能力彻底改变了场分辨光谱学和飞秒场成像。这些方法使研究人员能够探测广泛的大气化合物，干扰极小。
“这项尖端技术不仅在大气监测和气体检测方面具有应用前景，还在其他领域表现出希望，例如需要高带宽调制的地球轨道通信，”项目负责人Dr. Hanieh Fattahi解释道。研究团队计划继续增强该系统，以创建一个灵活的平台，用于实时污染物监测和地球与空间之间的光学通信。
