近日，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研究員尤立星團(tuán)隊(duì)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授夏海云團(tuán)隊(duì)與中國航空工業(yè)集團(tuán)公司第三〇四研究所飛秒激光精密測量團(tuán)隊(duì)合作，發(fā)明了一種單光子探測自由空間區(qū)段光譜遙感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了自由大氣中二氧化碳（CO2）和半重水（HDO，其自然豐度約為H2O的1/3200）有距離分辨率的光譜遙感分析。該研究成果以Photon-counting Distributed Free-space Spectroscopy為題發(fā)表在Light : Science & Applications上。 

牛頓利用三棱鏡將太陽光分解成由紅到紫連續(xù)排列的七彩光帶，開創(chuàng)了光譜學(xué)研究的先河。隨著光譜分析技術(shù)的發(fā)展，人們對物質(zhì)成分的認(rèn)識更加清晰。氣體吸收光譜包含著大量分子特征信息（種類、濃度、壓強(qiáng)、溫度等），被稱為分子識別的“指紋”。 

目前大氣氣體遙感分析技術(shù)可以分為被動式和主動式。被動式氣體遙感技術(shù)，如傅里葉紅外光譜儀、光柵光譜儀等，已廣泛應(yīng)用于地基、機(jī)載和星載平臺，實(shí)現(xiàn)廣域乃至全球范圍的氣體監(jiān)測。這些方法只能獲得幾公里乃至幾百公里整個(gè)氣柱的總吸收光譜，難以直接獲得距離分辨信息。主動式遙感技術(shù)中，激光雷達(dá)因具有遠(yuǎn)距離非接觸式探測、高時(shí)空分辨率等特點(diǎn)，備受關(guān)注�，F(xiàn)有的氣體探測主動激光雷達(dá)主要包括兩種：一種是距離分辨差分吸收激光雷達(dá)，通過比較待測氣體光譜強(qiáng)吸收位置和弱吸收位置的激光后向散射信號強(qiáng)度的差異，實(shí)現(xiàn)有距離分辨率的氣體濃度遙感，但是數(shù)據(jù)反演時(shí)需要已知?dú)怏w光譜線型。另一種是路徑積分差分吸收激光雷達(dá)，通過探測遠(yuǎn)端目標(biāo)反射信號的強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)增加激光波長采樣數(shù)量時(shí)，可獲得路徑積分的平均光譜，但無法獲得距離分辨信息。 

研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過多項(xiàng)核心技術(shù)攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)了有距離分辨的大氣光譜分析。研究人員采用光頻梳拍頻鎖定技術(shù)，實(shí)現(xiàn)探測激光在百納米光譜范圍內(nèi)的精確波長鎖定，可實(shí)現(xiàn)多種氣體的同時(shí)分析；不再依賴提高激光器功率和擴(kuò)大望遠(yuǎn)鏡面積，而是研制了高效率、低噪聲、大面元的超導(dǎo)納米線單光子探測器，提高激光雷達(dá)探測信噪比；提出實(shí)時(shí)補(bǔ)償技術(shù)，通過高速切換、交替發(fā)射探測激光和參考激光，實(shí)時(shí)校正大氣氣溶膠變化、湍流影響望遠(yuǎn)鏡接收效率、出射激光功率漂移、探測器效率變化等因素。該系統(tǒng)采用30組探測激光和參考激光時(shí)分復(fù)用，相當(dāng)于集成了30套雙波長差分吸收激光雷達(dá)。 

72小時(shí)大氣CO2和HDO濃度及風(fēng)場同步探測

通過水平掃描，該技術(shù)已實(shí)現(xiàn)百平方公里范圍CO2濃度遙感，為碳源碳匯的監(jiān)測和核算提供新手段。通過脈沖式光纖放大器的優(yōu)化，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)光通信波段中的多種氣體光譜（CO、CO2、H2O、HDO、NH3、C2H2、H2S和CH4等）的遙感分析。該技術(shù)可應(yīng)用于溫室氣體的監(jiān)測、易燃易爆和有毒氣體的泄露預(yù)警、大氣原位化學(xué)反應(yīng)和同位素監(jiān)測等研究。

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41377-021-00650-2