NIST激光“梳状”系统现可同时监测空气中主要温室气体动态

美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员升级了激光频率梳仪器，以同时测量三种空气中的温室气体——一氧化二氮、二氧化碳和水蒸气——以及主要的空气污染物臭氧和一氧化碳。结合早期的甲烷测量系统，现在NIST的双梳技术可以感知四种主要温室气体，有助于分析监测与气候变化有关的吸热气体的排放。最新的梳状系统还可用于评估城市空气质量。

NIST的这些仪器通过精确测量宽激光光谱中每种颜色吸收的光的数量来识别气体特征——因为特制的光束会沿着空气中特定的路径行进。目前该技术应用于检测石油和天然气装置的泄漏以及测量畜牧业的排放。传统传感器只能在特定位置采集空气样本，梳状系统可以测量比传统传感器更多种类的气体。与使用其他光源的同类技术相比，梳状系统还提供了更高的精度和更长的射程。

根据NIST最新发表论文的描述，梳状系统将分析的光谱从近红外转换为中红外，从而能够识别更多不同的气体。老式的近红外梳状系统可以识别二氧化碳和甲烷，但不能识别一氧化二氮、臭氧或一氧化碳。

研究人员在长达600m和2km的往返路径上演示了新系统。来自两个频率梳的光通过光纤进行组合，并通过位于科罗拉多州博尔德市NIST大楼顶部的望远镜进行传输。一束光被送到另一栋楼阳台上的反射器，另一束光被送到山上的反射器。梳状光从反射器反射回来，回到原来的位置进行分析，以识别空气中的气体。

图片来源：N. Hanacek/NIST

NIST研究人员使用激光频率梳仪器（如图）同时测量三种空气中的温室气体—— 一氧化二氮、二氧化碳和水蒸气，以及主要空气污染物臭氧和一氧化碳。图中所示为来自科罗拉多州博尔德的NIST大楼的两个往返路径（箭头），另一栋楼阳台上的反射器和附近小山上的反射器。

频率梳是一种非常精确的“标尺”，用于测量光的精确颜色。每个梳子的“牙齿”标识不同的颜色。为了达到光谱的中红外部分，频率梳的关键组成部分是一种特殊晶体材料，称为周期性极化铌酸锂，它可以在两种颜色之间转换光。本实验系统将一个梳子发出的近红外光分成两个分支，利用特殊的光纤和放大器对每个分支的光谱进行不同的加宽和平移，提高功率，然后在晶体中对分支进行重组。这就产生了较低频率（较长波长）的中红外光，这是两个分支中原始颜色之间的差异。

该系统的精确度足以捕捉所有被测气体的大气浓度变化，并与传统的一氧化碳和一氧化二氮的点传感器的结果一致。同时检测多种气体的一个核心优势是能够测量它们之间的相关性。例如，所测得的二氧化碳与一氧化二氮的比率与其他交通排放研究结果一致。此外，过量一氧化碳与二氧化碳的比例与其他城市研究结果一致，但仅为美国国家排放清单（NEI）预测水平的三分之一左右。这些水平提供了燃料在汽车等排放源中燃烧效率的衡量标准。NIST的测量结果与其他研究结果相呼应，表明空气中的一氧化碳含量低于NEI的预测。NIST的测量结果首次为博尔德丹佛地区的污染物参考指标提供了有力的支撑数据。

该研究项目主要负责人Kevin Cossel解释说到：“与NEI的比较表明，创建覆盖面大的数据库是困难但又至关重要的任务，这不会对大多数人的日常生活产生直接影响，数据库只是试图复制实际情况。然而，为了理解和预测空气质量和污染影响，建模者确实会很依赖于数据库，所以数据收集的正确性至关重要。”

研究人员计划进一步改进这种新型梳子仪器。他们计划将覆盖范围扩大到更远的距离，正如近红外系统演示的那样。他们还计划通过增加光功率和其他参数来提高探测灵敏度，以便能够探测到更多种类的气体。他们正在努力使系统更加紧凑和强大，这些进展有助于提高我们对空气质量的认知，特别是影响臭氧形成的各种因素之间的相互作用。

该研究由国防高级研究计划局和NIST特别计划办公室资助。