High-Sensitivity Gas Detection with Air-Lasing-Assisted Coherent Raman Spectroscopy

激光阈值 拉曼光谱 飞秒 材料科学 激光器 光学 丝状化 皮秒 光谱学 相干反斯托克斯拉曼光谱 超短脉冲 拉曼散射 光电子学 物理 量子力学
作者
Zhihao Zhang,Fangbo Zhang,Bo Xu,Hongqiang Xie,Botao Fu,Lu Xu,Ning Zhang,Shupeng Yu,Jinping Yao,Ya Cheng,Zhizhan Xu
出处
期刊:Ultrafast science [AAAS00]
卷期号:2022 被引量:69
标识
DOI:10.34133/2022/9761458
摘要

Remote or standoff detection of greenhouse gases, air pollutants, and biological agents with innovative ultrafast laser technology attracts growing interests in recent years. Hybrid femtosecond/picosecond coherent Raman spectroscopy is considered as one of the most versatile techniques due to its great advantages in terms of detection sensitivity and chemical specificity. However, the simultaneous requirement for the femtosecond pump and the picosecond probe increases the complexity of optical system. Herein, we demonstrate that air lasing naturally created inside a filament can serve as an ideal light source to probe Raman coherence excited by the femtosecond pump, producing coherent Raman signal with molecular vibrational signatures. The combination of pulse self-compression effect and air lasing action during filamentation improves Raman excitation efficiency and greatly simplifies the experimental setup. The air-lasing-assisted Raman spectroscopy was applied to quantitatively detect greenhouse gases mixed in air, and it was found that the minimum detectable concentrations of CO 2 and SF 6 can reach 0.1% and 0.03%, respectively. The ingenious designs, especially the optimization of pump-seed delay and the choice of perpendicular polarization, ensure a high detection sensitivity and signal stability. Moreover, it is demonstrated that this method can be used for simultaneously measuring CO 2 and SF 6 gases and distinguishing 12 CO 2 and 13 CO 2 . The developed scheme provides a new route for high-sensitivity standoff detection and combustion diagnosis.
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