本报讯（记者王敏）中国科学技术大学教授潘建伟、窦贤康、张强和薛向辉等人组成的交叉研究团队，通过发展大功率低噪声光梳，结合时间频率传递等量子精密测量技术，在国际上首次实现百公里级开放大气双光梳光谱测量。该技术可应用于监测大尺度范围的地球大气温室气体和污染气体，还可扩展到卫星和地面之间的大气双光梳光谱测量，用于全球尺度温室气体监测和精确校准。近日，相关成果在线发表于《自然-光子学》。

大气光谱学是研究大气化学和物理性质的关键技术。目前，大气光谱遥感使用的光栅光谱仪、外差光谱幅度计和傅里叶变换光谱仪等技术，能够以不同时间和空间分辨率提供地球大气成分的光谱学数据。然而，这些技术存在诸多限制，如无法在夜间进行测量、无法同时测量多种组分等。

近年来，开放大气双光梳光谱技术被证明是进行准确、连续、多气体测量的理想技术。该技术具有高采集速度、溯源至原子钟级别的绝对频率精度及可以同时测量多个组分等优点，广泛应用于油田监测、城市车辆排放测量、畜牧排放测量和温室气体监测等领域。

该技术还不受湍流散斑和背景噪声的影响，理论上能够在不校准的情况下测量更长的距离，因此被认为是用于大气遥感的理想精密光谱工具。然而，当前国际上所能实现的最远测量距离不超过20公里，只能针对工厂、牧场等小范围区域实现监测，无法应用于更大区域，如大型城市、雨林等。

在此次工作中，研究团队开发了一种新的双基站方案——开放大气双光梳光谱测量方案。相比于传统单基站方案，新方案无须在测量远端放置反射器，光只需要经过待测路径一次即可完成测量，从而极大减少了链路损耗，因此更适用于远距离、大尺度的测量。

利用该方案，研究团队在乌鲁木齐成功测量得到113公里水平开放大气中水汽和二氧化碳的强度谱和相位谱，该距离比国际上最远的测量距离高约一个数量级。该工作创新性地融合了高精度自由空间时间频率传递技术，频率准确度达到10千赫兹，并通过自主研发的高精度反演算法，实现二氧化碳反演精度在36分钟内小于0.6ppm。

该工作使得双光梳光谱能够测量的大气距离从十几公里提升至100多公里，扩大了该技术的应用范围。同时，系统可容忍最大损耗为83分贝，与中高轨星地链路损耗相当，为实现未来星地大气双光梳光谱测量奠定了坚实基础。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41566-024-01525-9