Учёные из Института науки о свете Общества Макса Планка (MPL) разработали лазерную технологию для точного обнаружения и мониторинга загрязняющих веществ в атмосфере, включая метан, который является ключевым фактором глобального потепления. Эта система использует мощный иттербиевый тонкодисковый лазер для управления оптическим параметрическим генератором (OPO), генерируя стабильные импульсы в коротковолновом инфракрасном (SWIR) спектральном диапазоне.

Обнаружение короткоживущих загрязнителей, таких как метан, представляет собой сложную задачу из-за помех со стороны водяного пара и их присутствия в атмосфере. Однако, нацелившись на диапазон SWIR, где загрязняющие вещества, такие как метан, поглощают сильно, а поглощение воды остаётся минимальным, новая лазерная система обеспечивает беспрецедентную чувствительность и точность обнаружения.

Оптическая параметрическая накачка генератора иттербиевым тонким дисковым лазером. Источник: APL Photonics (2024). DOI: 10.1063/5.0230388

Центральным элементом этой инновации является иттербиевый лазер с тонким диском, который производит мощные фемтосекундные импульсы с частотой повторения в мегагерцах. Это позволяет системе усиливать оптический параметрический генератор, преобразуя лазерные импульсы в диапазон SWIR с большой мощностью и интенсивностью. Работая с частотой повторения, вдвое превышающей частоту повторения лазера накачки, OPO выдаёт стабильные, настраиваемые импульсы SWIR, оптимизированные для высокочувствительных спектроскопических приложений.

«Выход нашей лазерной системы может быть масштабирован до более высокой средней и пиковой мощности благодаря масштабируемости мощности иттербиевых тонкодисковых лазеров. Использование системы для точного обнаружения загрязняющих веществ в реальном времени позволяет глубже понять динамику парниковых газов. Это может помочь решить некоторые проблемы, с которыми мы сталкиваемся при изучении изменения климата», — заявила Анни Ли, аспирантка MPL.

Подход команды также интегрирует широкополосную, высокочастотную модуляцию выхода OPO, что позволяет улучшить отношение сигнал / шум, обеспечивая ещё большую точность обнаружения. Способность лазера генерировать мощные, стабильные импульсы в диапазоне SWIR является революционным решением для спектроскопии с разрешением по полю и фемтосекундной полевой микроскопии, позволяя исследователям обнаруживать и анализировать широкий спектр атмосферных соединений с минимальными помехами.

«Эта новая технология применима не только для мониторинга атмосферы и газового зондирования, но и имеет потенциал для других научных областей, таких как связь на орбите Земли, где требуются модулированные лазеры с высокой пропускной способностью», — сказал доктор Хани Фаттахи, ведущий исследователь проекта.

Исследователи планируют дальше развивать систему с целью создания универсальной платформы для мониторинга загрязняющих веществ в режиме реального времени и оптической связи Земля-космос. Эта технология может сыграть большую роль в отслеживании циклов парниковых газов и последствий изменения климата, обеспечивая более глубокое понимание динамики парниковых газов и помогая решить некоторые проблемы, с которыми сталкиваются ученые при изучении изменения климата.

Подробнее на iXBT