激光空气检测

相干拉曼散射是一种重要的非线性光谱技术，已被广泛用于物质检测、燃烧诊断、生物显微等领域。传统的相干拉曼光谱技术，通常需要多束激光实现分子振转相干性的激发与探测，并对多光束间的时空控制提出了很高的要求。因此，发展单光束相干拉曼散射技术是极具吸引力的研究方向，加州大学伯克利分校、德州农工大学、以色列魏茨曼科学研究所等科研机构都开展了相关研究。然而，以往方法通常需要使用空间光调制器对飞秒激光进行时间、频谱、偏振整形，不能用于大能量飞秒激光，而且拉曼激发光和探测光波长相近，导致拉曼信号的信噪比较低，难以进行痕量分子的灵敏检测。针对上述问题，中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室研究团队基于空气激光的独特时频性质和远程产生能力，提出了一种新型单光束相干拉曼散射技术，实现了空气中温室气体SF6的定量测量，检测灵敏度达到千分之四的水平 [Opt. Lett. 47, 481 (2022)]。随后，该团队将基于空气激光的相干拉曼散射技术与种子放大技术、偏振滤波技术相结合，实现了浓度低至万分之三的温室气体检测，并展示了该技术在多组分同时测量、12CO2与13CO2精准分辨方面的独特优势，开拓了空气激光在远程探测领域的初步应用 [Ultrafast Science 2022, 9761458 (2022), 入选期刊封面论文和2021-2022年度10篇高影响力论文]。最近，该研究团队进一步发展了电子共振增强的单光束相干拉曼散射技术，利用一束飞秒激光同时构建了拉曼共振和电子共振双共振条件，通过电子共振将拉曼信号提高了1-2个数量级。单光束电子共振增强相干拉曼散射不仅要求利用一束激光同时完成分子的相干振动的激发与探测过程，而且还要求激发光或探测光与待测物质的电子态跃迁共振，因此一直以来未见报道。该团队利用空气激光巧妙地解决了这一难题，发展的新技术不仅发挥了空气激光频谱窄、与泵浦光束天然重合的优势，而且空气激光频率与CO2+跃迁的完美匹配为拉曼散射创造了电子共振条件，为大幅提升拉曼散射效率提供了简单有效的方法。相关成果发表在近期的Laser Photonics Reviews上。基于空气激光的相干拉曼光谱技术体现了空气激光在时间、空间、频率三大维度上的独特优势，并结合了飞秒激光多组分激发和空气激光高光谱分辨的双重优势，具备多组分同时检测和同位素分子甄别的独特能力，为复杂大气分子灵敏探测提供了全新技术方案。此外，该技术以天然产生的空气激光为探测光，将传统多光束相干拉曼散射简化为单光束，光路简单，无需多光束多色场时空精密控制，适用于高温高压湍流环境和复杂大气环境的远程探测，是一种简单实用的共性光谱技术。相关工作得到了国家自然科学基金重点项目、面上项目、中科院基础研究领域青年团队计划、上海市优秀学术带头人等项目的支持。图1 单光束电子共振增强相干拉曼散射的基本原理图2 不同浓度CO2气体中测得的拉曼光谱，阴影区为电子共振增强的相干拉曼信号

p 　　天津港“8· 12”特大爆炸事故发生后，天津市环保局高度重视爆炸引起的空气污染状况，在事故现场隔离区外设立17个环境空气监测点。北京怡孚和融科技有限公司的工程师们第一时间赶往事故现场，支援天津市环保局监测中心灾后空气现场监测。 /p p style=" TEXT-ALIGN: center" img style=" WIDTH: 450px HEIGHT: 328px" title=" a.jpg" border=" 0" hspace=" 0" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201508/insimg/84cd3bb9-1b44-4e88-aaae-b3a4486ccdf2.jpg" width=" 450" height=" 328" / & nbsp /p p style=" TEXT-ALIGN: center" 图1. CCTV13报道北京怡孚和融科技有限公司3D可视扫描激光雷达(EV-Lidar-CAM)在事故监测点 /p p style=" TEXT-ALIGN: center" img style=" WIDTH: 450px HEIGHT: 310px" title=" b.jpg" border=" 0" hspace=" 0" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201508/insimg/27831745-c945-4a22-beca-db236f5364eb.jpg" width=" 450" height=" 310" / /p p style=" TEXT-ALIGN: center" 图2. 爆炸事故现场空气污染严重 /p p 　　在爆炸点下风向4公里处，北京怡孚和融科技有限公司工程师连夜架设3D可视扫描激光雷达(EV-Lidar-CAM)，于8月15日凌晨0时起，对事故现场进行24小时连续不间断的污染物浓度及扩散走势监测，并于每天7时、13时、19时向天津市监测中心大气部提供水平方向10公里范围内污染物浓度分布和污染团的扩散趋势、输送路径。3D可视扫描激光雷达(EV-Lidar-CAM)从摄像水平区域中选定爆炸点附近区域进行污染物浓度3D扫描，实时生成扫描图像，可形成事故区域附近空气质量的直观观测结果，为前线应急指挥部提供及时可靠的应急决策数据。 /p p style=" TEXT-ALIGN: center" img style=" WIDTH: 450px HEIGHT: 298px" title=" c.jpg" border=" 0" hspace=" 0" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201508/insimg/53a56b22-379a-44a2-84eb-6d63901ffb99.jpg" width=" 450" height=" 298" / /p p style=" TEXT-ALIGN: center" 图3. 北京怡孚和融科技有限公司监测车在事故监测点 /p p 　　在此次应急监测中，天津市环保局环境监测中心出动流动监测车(北京怡孚和融科技有限公司提供)，对特征污染物(SO2、NOX、CO、O3、H2S、NH3、氰化物、PM10、PM2.5、苯、甲苯、VOCS等)进行定性和定量的分析，提供空气污染物的精准量化数据。流动监测便于在各种情况发生时采取快速应对措施，为灾后空气质量监测提供强有力的监测手段和技术支持。 /p p 　　北京怡孚和融科技有限公司将持续密切监测事故附近区域的大气污染状况，作为大气环保设备的先进研发企业，为天津事故地区政府和人民贡献一份力。 /p

6月26日，北京市东四环辅路一个检测点实时显示经过车辆的尾气排放检测结果(上图) 检测点的工作人员在监控实时检测数据(下图，拼版照片)。新华社记者公磊摄 　　6月26日，工作人员在北京市东四环辅路一个检测点架设遥感检测设备。新华社记者公磊摄 　　当日，为进一步控制机动车污染排放、改善空气质量，北京启动全市范围内的机动车排放激光遥感检测专项执法活动。激光遥感检测是利用遥感设备对机动车尾气中不同物质的吸收光谱进行分析，从而检测出尾气中各种污染物的浓度值。它能够在不影响机动车正常行驶的情况下，对机动车的动态排放进行实时检测。 　　据统计，北京市目前机动车保有量已超过530万辆，机动车排放污染已经成为影响北京空气质量的主要污染源。特别是机动车排放产生的PM2.5约占北京市全部PM2.5来源的22.2%。