相干拉曼散射是一種重要的非線性光譜技術(shù)，已被廣泛用于物質(zhì)檢測、燃燒診斷、生物顯微等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的相干拉曼光譜技術(shù)，通常需要多束激光實現(xiàn)分子振轉(zhuǎn)相干性的激發(fā)與探測，并對多光束間的時空控制提出了很高的要求。因此，發(fā)展單光束相干拉曼散射技術(shù)是極具吸引力的研究方向，加州大學(xué)伯克利分校、德州農(nóng)工大學(xué)、以色列魏茨曼科學(xué)研究所等科研機(jī)構(gòu)都開展了相關(guān)研究。

    然而，以往方法通常需要使用空間光調(diào)制器對飛秒激光進(jìn)行時間、頻譜、偏振整形，不能用于大能量飛秒激光，而且拉曼激發(fā)光和探測光波長相近，導(dǎo)致拉曼信號的信噪比較低，難以進(jìn)行痕量分子的靈敏檢測。

    針對上述問題，上海光機(jī)所強場激光物理國家重點實驗室研究團(tuán)隊基于空氣激光的獨特時頻性質(zhì)和遠(yuǎn)程產(chǎn)生能力，提出了一種新型單光束相干拉曼散射技術(shù)，實現(xiàn)了空氣中溫室氣體SF6的定量測量，檢測靈敏度達(dá)到千分之四的水平。隨后，該團(tuán)隊將基于空氣激光的相干拉曼散射技術(shù)與種子放大技術(shù)、偏振濾波技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了濃度低至萬分之三的溫室氣體檢測，并展示了該技術(shù)在多組分同時測量、¹²CO₂與¹³CO₂精準(zhǔn)分辨方面的獨特優(yōu)勢，開拓了空氣激光在遠(yuǎn)程探測領(lǐng)域的初步應(yīng)用。

    該團(tuán)隊利用空氣激光巧妙地解決了這一難題，發(fā)展的新技術(shù)不僅發(fā)揮了空氣激光頻譜窄、與泵浦光束天然重合的優(yōu)勢，而且空氣激光頻率與CO₂⁺躍遷的完美匹配為拉曼散射創(chuàng)造了電子共振條件，為大幅提升拉曼散射效率提供了簡單有效的方法。相關(guān)成果發(fā)表在Laser Photonics Reviews上。

    基于空氣激光的相干拉曼光譜技術(shù)體現(xiàn)了空氣激光在時間、空間、頻率三大維度上的獨特優(yōu)勢，并結(jié)合了飛秒激光多組分激發(fā)和空氣激光高光譜分辨的雙重優(yōu)勢，具備多組分同時檢測和同位素分子甄別的獨特能力，為復(fù)雜大氣分子靈敏探測提供了全新技術(shù)方案。此外，該技術(shù)以天然產(chǎn)生的空氣激光為探測光，將傳統(tǒng)多光束相干拉曼散射簡化為單光束，光路簡單，無需多光束多色場時空精密控制，適用于高溫高壓湍流環(huán)境和復(fù)雜大氣環(huán)境的遠(yuǎn)程探測，是一種簡單實用的共性光譜技術(shù)。