NIST激光梳状系统可测量空气中主要的温室气体

　　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，可以同时测量空气中的三种温室气体：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。

　　NIST的研究人员使用激光频率梳仪器同时测量了空气中的三种温室气体：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，覆盖从科罗拉多州博尔德的NIST建筑出发的两条往返路径(箭头)：一条是到另一座建筑阳台上的反射器，另一条是到附近山上的反射器。

　　结合早期版本测量甲烷的系统，NIST的双梳技术如今可以感知所有四种主要的温室气体，这有助于理解和监测这些与气候变化有关的吸热气体的排放。最新的梳状系统还可以帮助评估城市空气质量。

　　NIST的仪器通过精确测量宽激光光谱中每一种颜色所吸收的光量来识别气体特征，因为特制的光束会在空气中划出一条路径。目前的应用包括针对石油和天然气装置的泄漏检测，以及针对牲畜的排放测量。与传统的传感器相比，这种梳状系统可以测量更多的气体，而且传统传感器只能在特定位置取样。与使用其他光源的类似技术相比，这种梳状系统还能提供更高的精确度和更远的范围。

　　正如在新发表论文中所描述的，NIST的最新研究进展已将分析的光谱从近红外转移到中红外，能够识别更多不同的气体。较老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。

　　研究人员在长度分别为600米和2千米的往返路径上验证了新系统。来自两个频率梳的光在光纤中结合，并从位于科罗拉多州博尔德的NIST建筑顶部的望远镜发射。其中一束被发送到另一栋建筑阳台上的反射器上，另一束被发送到山上的反射器上。梳状光被反射器反射，然后返回到原来的位置进行分析，以确定空气中的气体。

　　频率梳是一种非常精确的“标尺”，可以精确地测量光的颜色。每个梳子的“齿”都有不同的颜色。为了达到光谱的中红外部分，关键成分是一种特殊设计的晶体材料，称为周期性极化铌酸锂，它能在两种颜色之间转换光。本实验的系统将一个频率梳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频谱进行不同的扩宽和平移，提高功率，然后在晶体中重新组合这些分支。这就产生了频率较低(较长波长)的中红外光，这就是两个分支原始颜色之间的差异。

　　这种系统足够精确，可以捕获所有被测气体的大气水平变化，并与传统针对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主要优点是能够测量它们之间的相关性。例如，测量所得的二氧化碳和一氧化二氮的比率与其他来自交通排放的研究结果一致。此外，测得的过量一氧化碳与二氧化碳的比例与类似的城市研究结果一致，但仅为美国国家排放清单(NEI)预测水平的三分之一左右。这些水平值可以衡量汽车等排放源中燃料的燃烧效率。

　　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的比较表明创建清单的工作非常困难，特别是涉及大的区域时，而且最好能有反馈清单的数据，这也至关重要，”主要作者Kevin Cossel说。“这不会对大多数人的日常生活产生直接影响，清单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的影响，建模者确实依赖于清单，所以清单的正确性至关重要。”

　　研究人员计划进一步改进这种新型梳状仪器。他们计划将覆盖范围扩大到更长距离，就像近红外系统已经演示的那样。他们还计划通过增加光功率和其他调整来提高探测灵敏度，以便探测到更多的气体。最后，他们正在努力使系统更加小巧和稳定。这些进展能有助于提高对空气质量的理解，特别是影响臭氧形成的因素之间的相互作用。

　　这项研究工作得到了美国国防高级研究计划局和NIST特别计划办公室的资助。