中科大突破湍流大气遥感极限！

在气候变化监测、工业污染防控、生态环境治理等与人类生存息息相关的领域，激光光谱技术宛如精准的“光学探针”，凭借其卓越的解析能力，能够对大气中的温室气体和污染物进行高精度成分分析。然而，当激光穿越开放大气时，湍流引起的相位噪声如同“光学迷雾”，会严重扭曲信号；同时，长距离传输导致的能量衰减（百公里路径能量损失超99.99999%），使得微弱信号宛如沧海一粟，传统探测器束手无策。如何在复杂大气环境中实现稳定、灵敏的光谱遥感，成为全球光学测量领域亟待攻克的挑战。

近年来，双光梳光谱技术为传统光谱学带来革命性突破。这项技术通过两束重复频率略有差异的光频梳相互干涉，能在亚毫秒级时间内完成宽光谱范围的高精度快速测量，摒弃了传统光谱仪的机械扫描部件，兼具高分辨率、宽光谱、快速测量的多重优势。尽管双光梳技术凭借快速的宽谱测量能力，在开放大气测量领域展现出良好前景，但在实际应用中，它依然面临着诸多挑战。湍流以及雨、雾等恶劣天气，会严重影响接收效率。这使得现有技术在低成本、低功耗、人眼安全的前提下，难以在真实多变的大气环境，如城市复杂湍流区域、山区多变气象条件中，实现持续可靠的较大遥测范围的监测。

近日，中国科学技术大学薛向辉教授团队联合香港中文大学任伟教授团队，以“Broadband photon-counting dual-comb spectroscopy with attowatt sensitivity over turbulent optical paths”为题在《Light: Science & Applications》发表重要成果，创新性地提出双光梳技术研究新范式。团队另辟蹊径，采用铟镓砷（InGaAs）单光子雪崩二极管（SPAD）替代传统光电探测器，通过记录每个光子到达探测器的精确时间，巧妙设计共模信号感知与触发计数协议，成功攻克光路波动难题。团队利用统计计数方法，从海量光子到达事件的关联性中，重建出万频级双光梳干涉信号。该“光子计数”模式使系统检测灵敏度达到4阿瓦/梳线（1阿瓦 = 10⁻¹⁸瓦），较传统双光梳光谱技术灵敏度提升10个量级（100亿倍）！该技术突破将使激光功率降至毫瓦级，完全满足人眼安全标准，且采用小口径低成本光学望远镜系统，就能实现以往需要耗费巨大成本才能达成的百公里开放大气光谱测量，为大气遥感提供了新思路。

论文信息

Zhong, W., Liu, Y., Yin, Q. et al. Broadband photon-counting dual-comb spectroscopy with attowatt sensitivity over turbulent optical paths. Light Sci Appl 14, 293 (2025).

https://doi.org/10.1038/s41377-025-01934-7

来源：Light新媒体

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