激光“梳状”系统测量空气中的所有主要温室气体

江苏激光联盟导读：

美国国家标准与技术研究院 (NIST) 的研究人员升级了他们的激光频率梳仪器，以同时测量三种空气传播的温室气体——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。

4.5-5μm 光谱区域提供了许多重要大气痕量气体的强振动光谱特征，包括温室气体 N2O 和 CO2 以及标准空气污染物 O3 和 CO。而 CO2 也可以用更简单的近红外光谱检测双梳光谱 (dual-comb spectroscopy, DCS) 系统在露天路径上，三种痕量气体 N2O、O3 和 CO 在近红外区域的横截面太弱，无法在环境水平检测；在这个 4.5–5 μm 光谱区域内操作可以检测到它们。此外，该光谱区域的强吸水特征相对清晰，可进行长距离的开路测量。

如图1所示，研究人员在长度为 600 米和 2 公里的往返路径上演示了新系统。来自两个频率梳的光在光纤中组合，并从位于科罗拉多州博尔德市 NIST 大楼顶部的望远镜传输。一束光束被发送到位于另一栋建筑物阳台上的反射器，第二束光束被发送到山上的反射器。梳状光从反射器反射回来，返回到原来的位置进行分析，以确定空气中的气体。

▲图1. a) 开放路径 DCS 系统和望远镜的示意图。PM：保偏。EDFA：掺铒光纤放大器。HNLF：高度非线性光纤。YDFA：掺镱光纤放大器。PPLN：周期性极化铌酸锂。b) 该系统位于科罗拉多州博尔德市 NIST 大楼顶上的一个房间内，光线被发送到位于约 300 m 外的 NOAA 大楼阳台上的后向反射器。或者，第二个光束路径将梳状光发射到约 1 公里外的反射器。NOAA 大楼的点传感器还记录 N2O、CO 和 H2O 的浓度。风速和风向由位于 NIST 大楼屋顶的 3D 声波风速计记录。

该系统足够精确，可以捕捉所有被测气体的大气水平变化，并与传统的一氧化碳和一氧化二氮点传感器的结果一致。一次检测多种气体的主要优势是能够测量它们之间的相关性。例如，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率与类似的城市研究一致，但仅为美国国家排放清单 (NEI) 预测水平的三分之一左右。这些水平提供了对汽车等排放源中燃料燃烧效率的衡量。

NIST 的测量结果与其他表明空气中一氧化碳含量低于 NEI 预测的研究相呼应，为博尔德-丹佛地区的污染物参考水平或“清单”提供了第一个硬性数字。

与 NEI 的比较表明创建库存是多么困难，尤其是覆盖大面积的库存，并且将数据反馈给库存至关重要。这不会直接影响大多数人的日常生活——库存只是试图复制实际发生的事情。然而，为了理解和预测空气质量和污染影响，建模者确实依赖于库存，因此库存正确至关重要。

开路双梳光谱提供高精度的多物种大气气体浓度测量。在这里，开放路径双梳光谱扩展到中红外 5 μm 大气窗口，能够对主要温室气体：N2O、CO2 和 H2O 以及标准空气污染物 O3 和 CO 的大气浓度进行反演，跨越 600米和 2 公里的往返路径。

研究人员计划进一步改进新的激光梳仪器。他们计划将覆盖范围扩大到更远的距离，正如近红外系统已经证明的那样。他们还计划通过增加光功率和其他调整来提高检测灵敏度，以检测额外的气体。最后，他们正在努力使系统更加紧凑和强大。这些进步可能有助于提高对空气质量的了解，特别是影响臭氧形成的因素的相互作用。