基于飞秒光丝的大气污染光谱灵敏检测新方法和新技术

Recent advances in femtosecond laser technologies have made it possible to develop the applications in spectral technique for identifying molecules with high sensitivity. A high intensity is clamped inside a filament in air. Under this intensity, molecules, apart from being ionized, can be highly excited and dissociated, resulting in “fingerprint” fluorescence of molecular fragments. Filamenation has been widely applied in many fields, such as remote sensing, pollution detection, lightning control, rainmaking, etc. Our project aims at investigating the new problems arising in the laser filamentation-induced atmospheric sensing, as well as their potential applications. The topics include that high sensitivity detection based on chemical reactions induced by laser filamentation; the physical mechanisms underlying the filament-induced dissociation of solid particles and aerosols (smog) in air; the smog ingredients identification through filament-triggered plasma grating; remote sensing of the fluorescence of atmospheric pollutants. Our research mainly relies upon experimental studies and also assistant with theoretical calculations.

飞秒激光成丝由于其高能量远距离传输特性，已经越来越多的出现在当今科研工作者的视野中。其应用范围已囊括污染物成份检测，远距离荧光遥感探测，太赫兹产生，分子取向，人工降雨等多个研究领域。本项目拟研究飞秒光丝在大气污染检测方面的新方法和新技术。具体研究内容包括：利用飞秒激光诱导化学反应提升飞秒光丝荧光检测精度；飞秒激光诱导固体小颗粒和气溶胶（雾霾成份）的化学反应研究；通过等离子体光栅提升局域光场强度实现污染物成份的高灵敏检测；利用飞秒光丝远程传播特性实现污染物光谱远程探测等。本项目以实验为主，理论为辅。

飞秒气体激光由于具有较高强度的自发放大辐射荧光，已经越来越多的出现在当今科研工作者的视野中。本项目将当今科学界两大学术热点，飞秒气体激光与飞秒光丝诱导指纹荧光光谱技术有机结合。利用飞秒光丝空气激光，飞秒光丝级联电离，纳米溶胶辅助多光子过程，飞秒激光诱导化学反应等手段，实现飞秒光丝荧光增强，从而提高飞秒光丝指纹荧光光谱技术的探测灵敏度。相对于传统的纳秒光学破坏光谱技术来讲，飞秒光丝指纹荧光光谱技术更加清晰，更容易识别，并且通过飞秒光谱能够获得分子的振转能级的有关信息。项目研究克服目前对分子光谱精密检测手段匮乏，技术实力不高的缺点，以及学术界对分子荧光内在分子动力学过程不明确的理论劣势。本项目研究对于大气污染探测，理解超快激光诱导化学反应中的分子动力学过程具有重要的意义，推动相关领域的科学、技术发展。项目研发过程中发表SCI论文8篇，中文论文1篇，获得专利2项，申请发明专利2项。同时在两年期内，新招硕士研究生5名，形成了富有创新力的青年研究团队。. 有如下研究成果：.（1）利用飞秒光丝后向探测空气污染物的自发放大辐射荧光，通过等离子体光栅提升局域光场强度，将污染物分子大量解离到高激发态，提升荧光强度5倍以上，在千分之一到百万分之一浓度下检测到空气中的一氧化碳、一氧化氮、甲烷、乙烯等十余种气体污染物。.（2）通过在气体、液体等流体中构造飞秒光丝，研究飞秒光丝在流体模型中的传输特性与荧光光谱演化特性，构造了飞秒光丝引发流体湍流这一具体物理模型。.（3）开发了一套高功率便携式光纤飞秒光源。最终获得平均功率为1.34 W、重复频率为300 kHz、脉冲宽度为202 fs的激光输出。整套激光系统便携、稳定、且相对于商用超快激光系统成本大大降低较低。.（4）利用飞秒光丝，提供了一种无污染、无接触、可远程操控的局域的“光搅拌”新方法。.（5）发展了光丝横向电导率的测量法，测量光丝内部等离子体密度。验证了等离子体光栅产生的超高的电子密度。