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。

该光谱区域的现有传感技术通常只能测量一种或两种物种；然而，多物种检测对于确定来源非常有益。开路傅里叶变换红外光谱 (OP-FTIR) 可以测量多种气体，但光谱分辨率低（通常为 ⪆ 6 GHz）会导致潜在的偏差问题和非常长的开放路径由于非相干光源的发散，因此具有挑战性。DCS是一个有吸引力的平台，可以克服这些限制，用于多种大气物质的开放路径测量。与 FTIR 一样，DCS 的宽光谱覆盖范围允许同时量化许多痕量气体种类以及路径平均温度。然而，与 OP-FTIR 仪器相比，DCS 具有更高的光谱分辨率和可忽略不计的仪器线形，从而能够以更高的精度进行痕量气体浓度测量。此外，梳状激光器发出明亮的单横模光束，可以在白天或黑夜进行长距离传播，从而能够在大范围内以高精度连续观察气体浓度和通量。这些百米到公里尺度的开放路径长度降低了测量对风场误差的敏感性，从而减少了量化逆风源排放率时的误差。最后，这些路径长度与高分辨率（即中尺度和微尺度）数值天气预报和空气质量模型的网格大小密切匹配，从而减少了模型-测量表示误差。

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。

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。

本文为江苏省激光产业技术创新战略联盟原创作品，如需转载请标明来源，谢谢合作支持！