麥姆斯咨詢獲悉，近日，中國科學院安光所方勇華研究員團隊研制了一套雙差分球—管耦合光聲—散射系統，實現了氣溶膠在光譜波段450納米和532納米處吸收與散射參數的時空同步測量。相關研究成果以《基于雙差分球—管耦合光聲—散射系統的氣溶膠雙波長光學特性時空同步測量》（Spatiotemporally synchronized dual-Wavelength measurement of aerosol optical properties using a dual-differential sphere–tube coupled photoacoustic–scattering system）為題，發表于儀器儀表類一區Top期刊Photoacoustics。中科院安光所特任副研究員李振鋼為第一作者，方勇華研究員為通訊作者。本研究工作獲得安徽省自然科學青年基金（2408085QF186）等項目資助。
大氣氣溶膠通過吸收和散射太陽輻射影響地球能量平衡，其吸收系數、散射系數及單次散射反照率等參數是評估氣溶膠輻射效應的重要依據。傳統吸收—散射聯用系統通常采用獨立采樣支路和分離測量腔體，容易受到顆粒傳輸損失、時間響應錯位以及溫濕度微環境差異的影響，給多參數同步反演帶來不確定性。如何在同一采樣路徑和共同測量體積內同步獲取多波長吸收與散射信息，是氣溶膠光學儀器集成化發展的重要方向。
針對傳統分體式系統中吸收與散射通道難以保持時空同源的問題，團隊設計了多功能雙差分球—管耦合氣體池。兩側高反射率積分球既用于收集多方向散射光子，又作為光聲系統的聲學緩沖腔，并共同構成低頻差分亥姆霍茲共振器；中央聲學管則形成高頻差分二階縱向駐波模態。450納米和532納米激光分別調制于2572赫茲和169赫茲，通過頻分復用和自主研制的FPGA數字鎖相放大器進行同步解調，從而在單一進樣路徑和共同測量體積內獲取雙波長吸收與散射系數，并進一步計算AAE、SAE和SSA等光學參數。
圖1 雙差分球—管耦合光聲—散射系統核心結構
為實現四個測量通道的定量轉換，研究人員采用NO2標準氣體分別標定450 納米和532納米光聲吸收通道，并利用N2／CO2兩點瑞利散射方法標定兩個散射通道。在1s積分時間和3σ判據下，532納米吸收與散射通道的檢測限分別達到1.2Mm?1和1.32Mm?1。有限元分析與實驗掃頻進一步驗證了兩種差分聲學模態在空間分布和共振頻率上的分離特征，為雙波長光聲信號的同步激勵和獨立解調提供了聲學基礎。
圖2 雙差分聲學模態有限元仿真結果：（a）聲學管共振模態；（b）積分球亥姆霍茲共振模態
團隊還開展了強散射水霧、受控燃燒氣溶膠和外場觀測實驗。水霧實驗中，散射系數顯著升高時，532納米光聲吸收通道未出現可辨識的同步響應，表明系統具有一定的通道隔離能力；香煙陰燃和脫脂棉明火燃燒產生的氣溶膠呈現不同的雙波長吸收響應和兩點AAE特征，展示了系統分辨相對光譜差異的能力；在合肥科學島開展的外場觀測則驗證了系統連續獲取雙波長吸收、散射及SSA等參數的可行性。
圖3 系統代表性驗證結果：（a）強散射水霧下的通道響應；（b）兩類受控燃燒氣溶膠的雙波長吸收特征
該研究通過積分球光學收集、雙差分聲學共振和頻分同步解調的協同設計，為氣溶膠吸收—散射多參數一體化測量提供了新的系統實現方案，可為大氣氣溶膠輻射效應研究、源排放氣溶膠光學特征表征和環境連續監測提供技術支撐。
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https://doi.org/10.1016/j.pacs.2026.100864
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