双光学频率梳系统实现多种主要温室气体测量

美国国家标准与技术研究院 (NIST) 的激光频率梳仪器可以同时测量一氧化二氮、二氧化碳、水蒸气以及主要的空气污染物。该工作将光谱从近红外扩展到中红外，从而识别更多不同的气体。

NIST 的双梳技术现在可以测量所有四种主要温室气体，包括一氧化二氮、臭氧、一氧化碳和甲烷。这有助于了解和监测与气候变化有关的吸热气体的排放，以及评估城市空气质量。

NIST 研究人员使用激光频率梳仪器（右下图）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），以及主要空气污染物臭氧和一氧化碳。箭头表示从NIST 大楼到另一栋大楼的反射器，以及附近山上的另一个反射器。

与传统的在特定位置采样空气的传感器相比，光梳系统通过精确测量激光光谱中每种颜色吸收的光量来识别气体特征，从而可以测量更多的气体，并且具有更高的精度和更长的光谱范围。该装置目前的应用包括检测石油和天然气装置的泄漏，以及测量牲畜排放的温室气体。

研究人员在长度为 600 m和 2 km的往返路径上进行了实验。来自两个频率梳的光耦合入光纤，并从位于NIST 大楼顶部的望远镜发射。一束光束被发送到另一栋大楼阳台上的反射器，另一束光束被发送到山上的反射器。最后，仪器通过分析反射光来确定空气中的气体组分。

频率梳的关键组成部分是一种周期性极化的铌酸锂晶体，其可实现两种频率的光转换。系统将中的近红外光被分成两路经过光纤和放大器，从而实现对每路光的频谱调控并提高功率。在晶体中重新耦合的两路光由于非线性效应产生了较低频率的中红外光，即两路光中初始频率的差异。

通过与传统的一氧化碳和一氧化二氮点传感器比较，该系统足够精确，可以捕捉所有测量气体的大气水平变化，并一次检测多种气体允许测量多种气体之间的相关性。此外，研究发现过量一氧化碳与二氧化碳的比率仅为美国国家排放清单 (NEI) 预测水平的三分之一左右，这也提供了汽车等排放源中燃料燃烧效率的信息。

研究人员计划将新仪器的覆盖范围扩展到更远的距离，并且还计划通过增加光功率等方法来提高检测灵敏度，以检测更多的气体。通过增加对空气质量的了解，研究人员可以进一步研究影响臭氧形成的因素。

本项工作由国防高级研究计划局和 NIST 特别项目资助，并已发表于 Laser & Photonics Reviews (www.doi.org/10.1002/lpor.202000583) 。