美NIST升级激光“梳状”系统：现可测量所有主要温室气体

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最新的梳状系统还可以帮助评估城市空气质量。

由于特制的光束会在空气中追踪一条路径，所以NIST的仪器可以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。目前的应用包括检测石油和天然气装置的泄漏，及测量牲畜的排放。跟传统的传感器相比，梳状系统可以测量更多的气体，而传统传感器只能在特定位置取样。跟使用其他光源的类似技术相比，这种系统还能提供更高的精度和支持更长的距离。

NIST在新论文中描述的最新进展将分析的光谱从近红外转移到中红外，这样能使得识别出更多不同气体成为可能。据悉，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结合并从位于科罗拉多州博尔德的NIST建筑顶部的望远镜传输。其中一束被发送到另一栋建筑阳台上的反射器上，另一束则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”，它可以精确地测量光的颜色。每个梳子的“齿”都对应着不同的颜色。为了达到光谱的中红外部分，关键成分是一种经过特殊设计的晶体材料，其被称为周期极化铌酸锂，它能在两种颜色之间转换光。本实验的系统将一个梳子中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。这就产生了较低频率（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。

这套系统足够精确，其可以捕获所有被测气体的大气水平变化，并且还能跟传统的一氧化碳和一氧化二氮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测量它们之间的相关性。此外，过量一氧化碳跟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1/3左右。这些水平提供了一种衡量燃料在汽车等排放源中燃烧效率的方法。

NIST的测量结果跟其他研究结果相呼应，这表明空气中的一氧化碳含量比NEI预测的要少。NIST的测量结果将第一个硬性数字放在了博尔德-丹佛地区污染物的参考水平或“清单”上。

这项研究的论文首席作者Kevin Cossel表示：“跟NEI的比较表明，创建库存是多么困难，尤其是涉及大面积的库存并且有数据反馈库存是至关重要的。这不会对大多数人的日常生活产生直接影响，库存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，所以清单的正确性是至关重要的。”

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的距离。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从而使探测到更多的气体成为可能。最后，他们正在努力使系统更加紧凑和健壮。这些进展可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。