双梳光谱学（DCS）技术拥有独特的优势，如宽带宽、高分辨率、高灵敏度以及快速测量能力。DCS通过利用两个相干的光频梳进行干涉，能够在较短时间内获取物质的光谱信息。然而，以往的DCS研究多限制在较短的开放大气路径内，限制了其在更广阔范围内应用的潜力。
为了突破这一限制，由中国科学技术大学、中国科学院新疆天文台和中国科学院空间主动光电技术重点实验室等团队组成的研究人员通过开发一种新颖的双静态设置，结合时频传播技术和高功率光频梳，成功实现了在113公里水平开放大气路径上的DCS。相关论文于9月12日以“Dual-comb spectroscopy over a 100 kmopen-air path”为题发表在《Nature Photonics》上。
中国科学技术大学博士生韩金剑、钟伟和副研究员赵若灿是本论文的共同第一作者。该工作得到国家自然科学基金委、科技部、中国科学院、国家发展改革委、安徽省、上海市和山东省相关项目的支持。
研究背景
开放大气双光梳光谱技术（Dual-Comb Spectroscopy, DCS）近年来已被证明是一种理想的技术，用于进行准确、连续、多组分的测量。它具备高采集速度、原子钟级别的绝对频率精度，以及能够同时测量多个组分的能力，因此在油田监测、城市车辆排放、畜牧排放测量和温室气体监测等多个领域展现出广泛的应用前景。DCS技术不受湍流散斑和背景噪声的影响，能够在不依赖外部校准的情况下测量更远的距离，被认为是一种理想的大气遥感精密光谱工具。
然而，目前国际上实现的DCS测量距离最远不超过20公里，这限制了其在更广阔区域，如大型城市、雨林等环境中的应用。为了克服这一局限，科学家们一直在寻求一种更高效、更精确的大气监测技术，以应对全球气候变化和环境管理的挑战。传统的光谱技术在实验室中表现出色，但在野外或远程监测中面临诸多挑战，如设备体积庞大、测量速度慢、受环境光照条件限制等。因此，发展一种能够在开放大气中远距离、快速、高精度地测量大气成分的技术变得尤为迫切，以期实现对更广泛区域的精确监测。
实验设计与方法
在这项开创性的实验中，研究团队采用了双静态配置，部署了两个高功率光频梳于两个远端终端，实现了通过大气传输并在接收终端相互干涉的双光梳光谱学（DCS）技术。相较于传统的单静态DCS，这种新颖的双静态配置显著减少了光束在大气中的传输次数，有效降低了信号衰减和湍流的影响，使得测量距离得以大幅扩展。
为了确保两个频梳的频率同步，研究团队运用了时间-频率传播技术，使得两个独立的频率标准能够通过精确的比较和校正实现高精度锁定。此外，为了提高信号的信噪比，团队还开发了高功率光频梳和超灵敏的检测系统，包括使用高功率掺铒光纤放大器（EDFA）增强输出功率，以及利用高灵敏度光电探测器来捕捉干涉信号。
在乌鲁木齐进行的实验中，研究团队成功地在113公里水平开放大气中测量了水汽和二氧化碳的强度谱和相位谱，这一成果在国际上创下了新的测量距离记录。该方案创新性地融合了高精度自由空间时间频率传递技术，实现了10kHz的频率准确度，并通过自主研发的高精度反演算法，在36分钟内将二氧化碳的反演精度控制在小于0.6ppm。
这项工作不仅将双光梳光谱测量的大气距离从十几公里提升至一百多公里，扩大了技术的应用范围，而且系统展现出的最大损耗容忍度为83dB，与中高轨星地链路损耗相当，为未来星地大气双梳光谱测量提供了技术基础。实验跨越中国新疆超过113公里的两个地点，模拟了未来卫星到地面监测路径的可能性，并通过全球定位系统（GPS）确保了两个终端数据采集的同步性。
实验结论
实验结果表明，该系统能够在5分钟内实现对二氧化碳（CO2）的感知精度小于2ppm，在36分钟内小于0.6ppm。这一精度水平对于大气监测来说是非常可观的，尤其是在如此长的距离上。通过比较两个独立频梳测量的光谱，研究团队成功测量了CO2和水蒸气（H2O）的吸收光谱，并与HITRAN数据库进行了比对，验证了系统的准确性。此外，研究还展示了通过吸收光谱和相位光谱独立提取的CO2和H2O浓度，证明了系统在两个终端都能稳定运行并提供一致的测量结果。
未来展望
尽管本研究在长距离DCS方面取得了突破，但仍有进一步优化和扩展的空间。未来的工作可以集中在以下几个方面：
技术优化：通过采用新的技术如孤子自频率转移来同时实现高功率和大带宽，以测量更多种类的温室气体，如甲烷（CH4）。 硬件升级：提高数据采集的带宽和传输速率，记录完整的干涉图样，以提高测量的频率分辨率和精度。 实时相位校正：开发实时相位校正方法，以进一步提高系统的精度和时间分辨率。 全球监测网络：构建一个由地面和卫星基站组成的全球DCS监测网络，以实现对温室气体通量的连续、不间断测量。 数据和算法：进一步优化数据处理算法，提高从大气模型中检索大气参数的准确性，减少由于大气参数估计不准确引起的误差。
通过这些改进和扩展，DCS技术有望在未来的大气监测和气候变化研究中发挥更加重要的作用，为全球环境政策制定和实施提供强有力的科学支持。此外，随着技术的成熟和成本的降低，DCS技术还有望在商业和民用领域得到更广泛的应用，如环境监测、气象预报和资源勘探等。
通讯作者简介
本文的通讯作者为潘建伟、张强和薛向辉。
潘建伟院士是中国科学技术大学教授，同时兼任发展中国家科学院院士、奥地利科学院外籍院士。他现任中科院量子信息与量子科技创新研究院院长，是量子光学、量子信息和量子力学基础问题检验研究领域的领军人物。潘院士是量子信息实验研究的国际先驱之一，尤其在量子通信、量子计算和多光子纠缠操纵等领域做出了开创性贡献，推动了量子信息科学成为物理学迅速发展的前沿方向。
他的研究成就获得了广泛认可，包括被《自然》杂志评为“百年物理学21篇经典论文”之一的量子隐形传态研究成果，以及多次入选国际顶级科学杂志评选的重大科学进展。潘院士的杰出工作为他赢得了包括国家自然科学一等奖、未来科学大奖、欧洲物理学会菲涅尔奖在内的多项国内外学术荣誉和奖项，并被授予“全国创新争先”奖章、“改革先锋”奖章以及“最美奋斗者”称号。
潘院士的科研成就不断推动量子科学领域的边界，他的团队在量子密钥分发、量子网络构建、量子计算原型机研发等方面取得了一系列突破性进展，为量子技术的实用化和产业化奠定了坚实的基础。他的工作不仅在学术界产生了深远影响，也为我国的科技进步和国际科技竞争提供了有力支撑。
张强是中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室的教授，同时担任济南量子技术研究院的执行院长。他在2006年获得了中国科学技术大学的理学博士学位，其博士论文被评为全国百篇优秀博士论文之一。此后，张强在美国斯坦福大学和日本信息情报所进行了博士后研究和学术访问。2011年，他返回中国科学技术大学任教，并在2013年成为首批青年973首席科学家。张强教授在2017年荣获日内瓦发明博览会特别金奖，并在2018年担任国家重点研发计划的首席科学家。
张强教授在量子密码学和量子通信实验研究领域取得了显著成就，特别是在量子密钥分发的安全性研究、量子力学基础检验、量子通信核心器件研制以及时间频率传输等方面。他的研究成果在国际上被广泛认可，发表了90余篇SCIE论文，被引用次数超过6000次，并多次入选重要科技进展。张强教授还积极参与国际学术交流，担任多个国际会议和期刊的重要职务，包括国际量子密码年会大会主席、国际电联（ITU）“面向网络的量子信息技术焦点组”主席等。他的代表性科研成果涵盖了量子密钥分发的世界纪录、量子随机数生成、量子通信器件开发以及时间频率传输技术的创新，为量子通信和量子信息科学的发展做出了重要贡献。
薛向辉为中国科学技术大学地球和空间科学学院教授，博士生导师。1998年至2002年，他在中国科学技术大学地球和空间科学学院完成了本科学习，并获得了学士学位。随后，薛向辉继续在该院进行硕博连读，并于2007年获得博士学位。
在完成学业后，薛向辉留校任教，并于2007年8月至2011年7月担任副教授。2009年6月至2010年4月，他作为访问学者在美国国家大气科学研究中心进行了学术交流与研究。2010年6月至今，他一直担任中国科学技术大学地球和空间科学学院的博士生导师。
2011年8月，薛向辉晋升为特任教授，并于2014年6月至今担任教授。他的研究领域涉及地球和空间科学的多个方面，包括但不限于大气科学、空间物理和相关技术的应用研究。薛向辉教授在国内外学术界有着广泛的影响力，他的研究成果为地球和空间科学的发展做出了重要贡献。
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