中科院上海光机所强场激光物理国家重点实验室研究团队自2011年在国际上率先报道强场电离诱导的“空气激光”现象以来[Phys. Rev. A 84, 051802 (2011)]，一直致力于空气激光的强场物理与遥感应用研究。近期，该团队利用空气激光，发展了一种高灵敏度的相干拉曼光谱技术，实现了大气中温室气体浓度的定量检测、多组分同时探测和CO₂同位素识别，探测灵敏度达到0.03%的水平，最小信号抖动达到2%的水平。相关研究以High-Sensitivity Gas Detection with Air-Lasing-Assisted Coherent Raman Spectroscopy为题发表于Ultrafast Science。

空气激光辅助的相干拉曼光谱技术的基本原理如图1所示。飞秒激光与空气的极端非线性作用，一方面激发空气分子的光学增益，实现了1000倍以上的种子放大，产生了波长为428 nm、线宽为13 cm^-1的氮气离子空气激光。同时，飞秒激光在大气中非线性传输，将频谱带宽拓展到3800 cm^-1，比入射光谱宽一个数量级以上，足以激发空气中大部分污染物分子和温室气体的相干拉曼振动。当空气激光遇到相干振动的分子，有效产生相干拉曼散射。通过记录相干拉曼信号与空气激光的频移，即“拉曼指纹”，便可以得知分子的“身份信息”——化学成分。

图1. 空气激光辅助的相干拉曼散射技术的基本原理：（a）空气激光和相干拉曼散射的产生机制示意图；（b）展宽后的泵浦光光谱与原始光谱的对比；（c）空气激光的频谱和空间分布。

空气激光辅助的相干拉曼光谱技术，结合了飞秒激光和空气激光的双重优势：飞秒激光光谱宽、脉宽短，可以同时激发很多气体分子的相干振动；空气激光光谱窄，用其作为探针，光谱分辨率高，可以有效区分不同分子的拉曼指纹。因此该技术能够满足多组分测量和化学特异性的需求。在该研究中，通过采用种子放大和偏振滤波技术，有效提升了相干拉曼信号的信噪比，显著抑制了超连续白光产生引起的背景噪声和信号抖动，提高了探测灵敏度和稳定性。该研究团队利用空气激光辅助的相干拉曼光谱技术，测量了大气中CO₂和SF₆的拉曼信号强度与相应气体浓度的定量关系，CO₂和SF₆的最小探测浓度分别为0.1%和0.03%，最小信号抖动均达到2%的水平（图2）。

图2. 实验测得的相干拉曼信号强度与气体浓度的定量关系。插图为最小浓度下测量的CO₂和SF₆的拉曼信号，CO₂（1388 cm^-1拉曼峰）和SF₆的最小探测浓度分别为0.1%和0.03%。

进一步，研究者在空气、CO₂和SF₆的混合气体中展示了该技术可以用于多组分同时测量，如图3(a)-(c)所示，这得益于飞秒激光多组分激发以及空气激光多组分分辨的能力。更加重要的是，利用空气激光辅助的相干拉曼光谱技术，还可以有效区分¹²CO₂和¹³CO₂的同位素气体，如图3(d)所示。

图3. 利用空气激光辅助的相干拉曼光谱技术测得的（a）空气中浓度为0.5%的CO₂，（b）浓度为0.1%的SF₆,（c）浓度为0.5%的CO₂与浓度为0.1%的SF₆混合物的拉曼信号；（d）空气中浓度均为0.4%的¹²CO₂和¹³CO₂的拉曼信号。