苏州大学刘全团队在星载甲烷监测领域取得重要进展：高衍射效率棱镜光栅技术支撑“双碳”战略实施

作者：欧光科技发表时间：2025-05-27 17:32:59

在全球气候变化应对的关键背景下，我国“碳达峰、碳中和”（简称“双碳”）战略的实施对高精度温室气体监测技术提出了迫切需求。甲烷（CH₄）作为大气中辐射活性最强的温室气体之一，其单位浓度的温室效应贡献为二氧化碳（CO₂）的25倍，实现其时空分布的精准监测对碳源汇评估具有重要科学意义。苏州大学刘全团队在《红外与激光工程》2025年第5期“高光谱技术及其应用”专栏发表的封面研究成果，通过创新设计熔石英棱镜光栅集成高折射率TiO₂介质膜结构，将光栅衍射效率提升至80%，为星载甲烷成像光谱仪的性能突破提供了关键技术支撑。

一、研究背景：甲烷监测的科学需求与技术瓶颈

作为全球气候治理的核心议题，“双碳”战略的科学实施依赖于对温室气体时空分布的高精度监测。甲烷在大气中的浓度虽低于二氧化碳，但其强辐射活性使其成为气候变化研究的核心对象。根据美国国家海洋和大气管理局数据，甲烷浓度的年际变化约为8ppb，区域差异不超过20ppb，这要求成像光谱仪需具备优于0.1nm的光谱分辨率、≥10³的信噪比及亚千米级空间分辨率。在此背景下，光栅型光谱仪的核心分光元件——光栅的衍射效率成为制约技术发展的关键瓶颈。

当前国际主流技术采用硅棱镜光栅，其衍射效率普遍为60%左右（如欧空局Sentinel5P卫星搭载的TROPOMI监测器）。为突破这一性能上限，苏州大学团队提出基于熔石英基底的棱镜光栅结构，通过引入高折射率TiO₂介质膜层，构建了“棱镜色散光栅分光介质膜增强”的协同优化模型，为提升光谱仪整体性能提供了新路径。

二、技术创新：复合光学元件的设计、制备与验证

1.光学结构的理论建模与优化

针对甲烷探测的2.275~2.325μm特征波段，研究团队设计了周期为1020nm的熔石英棱镜光栅，通过时域有限差分法（FDTD）系统分析了占空比（f=0.3~0.45）、TiO₂膜厚（130~230nm）及槽深（700~1100nm）对衍射效率的影响规律。结果表明：当TiO₂膜厚为165nm、槽深870~930nm且占空比0.42时，一级衍射效率可达80%以上，较传统硅基光栅提升约33%。该结构通过介质膜的光场调控作用，实现了光能量在目标衍射级次的高效汇聚，同时利用棱镜的固有色散特性压缩光学系统体积，满足星载设备对紧凑性的严苛要求。

2.微纳制造工艺的跨尺度整合

团队开发了“全息光刻离子束刻蚀原子层沉积（ALD）”的全流程制备工艺：

全息光刻：通过精确控制曝光剂量与显影时间，在熔石英棱镜基底表面形成占空比0.42、底角分别为85.5°和82°的梯形光刻胶掩模；

离子束刻蚀：采用反应离子刻蚀技术将掩模图形转移至基底，形成深度872nm、顶部剩胶301nm的光栅结构；

原子层沉积：利用ALD技术在纳米尺度（精度±1nm）下沉积166nm厚的TiO₂介质膜，最后通过真空蒸镀工艺制备银反射膜层。该工艺链实现了从微米级棱镜结构到纳米级光栅槽形的跨尺度精确控制，确保了光学元件的制备精度。

3.实验验证与性能表征

研究采用双光路测试系统对光栅性能进行表征，光源为Fianium超连续谱光纤激光器（波长范围0.41~2.4μm）。通过参考光路与测试光路的实时功率比对，消除了光源波动对测量结果的影响。实验数据表明，在2.275~2.325μm波段内，一级衍射效率实测值大于70%，与理论模拟结果吻合度达92%，验证了设计方案的科学性与工艺的可靠性。

三、应用价值：从基础研究到工程实践的技术跃迁

该棱镜光栅的技术突破体现在双重维度：

性能跃升：80%的衍射效率显著提升了光谱仪的能量利用率，可将甲烷浓度监测精度提升至5ppb以下，满足“双碳”战略对碳源汇精细化评估的需求；

工程适配：110×275mm的有效光学面积及紧凑的光机结构设计，适配星载平台对大尺寸元件与低载荷质量的双重要求，为后续卫星载荷的轻量化设计提供了关键元件储备。

值得关注的是，刘全团队在衍射光学领域已形成深厚的研究基础与工程经验。其研制的可见/近红外凸面闪耀光栅（效率>50%）已成功应用于海洋一号C/D卫星（2018/2020年发射）及风云三号G星（2023年发射）的定标系统，相关技术成果获苏州市科技进步一等奖。本次研究是团队在微纳光学器件领域的又一重要突破，为星载甲烷监测设备向智能化、高精度方向发展奠定了坚实基础。

四、结论与展望

苏州大学刘全团队通过光学设计、微纳制造与实验验证的全链条创新，成功研制出高衍射效率棱镜光栅，为星载甲烷成像光谱仪的性能提升提供了核心元件解决方案。该研究不仅突破了传统硅基光栅的效率瓶颈，更展现了微纳光学技术在宏观气候治理中的关键作用。未来，随着AI算法与光学系统的深度融合，该技术有望进一步推动温室气体监测向智能化、全谱段方向发展，为我国“双碳”战略的科学实施提供持续的技术支撑。