升級后的中紅外平臺可提供關鍵的大氣數據，幫助評估空氣質量。
激光頻率梳的輸出信號由一系列離散、等間距的頻率線組成，已經成為氣體傳感應用和探測多種類氣體的極具價值的方法。據麥姆斯咨詢報道，目前，美國國家標準與技術協會（NIST）的最新研究項目已經論證了將這種方法擴展到實現單頻梳設備檢測多種主要溫室氣體。
該項研究有助于了解和監測與氣候變化相關的溫室氣體的排放，以及監測空氣質量和污染狀況。
NIST先前應用頻率梳技術的研究主要包括：用于監測農業中甲烷和氨氣的便攜式系統、以及用于望遠鏡和原子鐘的芯片微梳（chip-based microcombs）。
正如Laser & Photonics Reviews中所評述，這項新研究進展將頻率梳的光譜區域從近紅外轉移至中紅外，因此能夠將多種更令人感興趣的化學物質納入探測范圍。該論文鏈接為：https://doi.org/10.1002/lpor.202000583。
由于特制的光束會在空氣中沿著一條路徑傳播，因此新型中紅外雙頻梳系統可以通過精確測量寬激光光譜中每一種顏色所吸收的光量來識別氣體特征。目前的應用包括檢測石油和天然氣裝置的泄漏，及測量牲畜的氣體排放。與傳統傳感器相比，該系統可以測量更多種類氣體，傳統傳感器只能在特定位置取樣。與使用其他光源的類似技術相比，該系統還能提供更高的精度并且支持更長的探測距離。
一直以來，中紅外直接成像在醫療和診斷應用中具有重要意義，開發出更經濟的中紅外光源和探測器被認為是提升癌癥診斷技術的重要途徑。
對于大氣研究來說，NIST的新型中紅外雙頻梳系統專為實現在5微米紅外窗口探測多種氣體而設計；在該波段，溫室氣體NO和CO2、水、臭氧以及CO均非常容易探測。
NIST的平臺主要基于開放光路傅里葉變換紅外光譜學（OP-FTIR），其中氣體分析沿著開放的線性路徑進行，再利用反射鏡將光反射回原設備進行分析。
NIST新型中紅外雙頻梳系統原理圖
OP-FTIR與雙梳光譜學相結合，采用兩種重復頻率略有不同的激光頻率梳來替代寬帶光源，從而縮小了設備尺寸、降低了系統復雜性。
“在本次實驗中，該系統將源自一個原始頻率梳的近紅外光分為兩個分支；利用特殊光纖和放大器，拓寬并偏移每個分支頻率梳的光譜，并提高其功率；然后在鈮酸鋰晶體中重組兩個分支光，從而產生中紅外光。”該研究項目論述道。
保證大氣數據的準確性意義非凡
NIST園區坐落于美國科羅拉多州博爾德，該研究項目利用其新型中紅外雙頻梳系統探測了往返距離為600米和2公里的開放式路徑。該系統位于NIST大樓頂樓的房間中，第一路徑為將光發射至300米遠NOAA大樓陽臺上的反射鏡；第二路徑為將光發射至1公里外的反射鏡。NOAA大樓陽臺上的觀測點還記錄了N2O、CO和水含量，NIST大樓頂樓則使用3D聲波風速計（sonic anemometer）記錄了風速和風向。
新型中紅外雙頻梳系統開放式路徑探測示意圖
在該研究項目中，測量周期為5天，時間分辨率為2分鐘，這樣的測量精度足夠探測多種氣體的大氣濃度變化。此次研究結果與傳統CO和N2O單點傳感器的結果一致。
值得注意的是，NIST指出，該系統對過量CO與CO2比率的測量結果與類似城市的研究結果一致，僅為美國國家排放清單（NEI）預測水平的三分之一。這些測量結果提供了衡量燃料在汽車等排放源中燃燒效率的方法。
“與NEI預測水平的比較顯示，建立清單資料非常困難，尤其是涉及大面積地區的清單資料，同時有測量數據反饋這些清單資料的準確性也至關重要。”NIST的Kevin Cossel表示，“為了了解和預測空氣質量和污染的影響，建模人員確實需要依賴于清單資料，因此清單資料的準確性是至關重要的。”
研究人員計劃進一步改進該系統，計劃將擴展探測距離，同時還計劃通過增加光功率和其他調整來提高其探測靈敏度，從而實現探測更多種類的氣體。最后，研究人員正在努力使該系統更加緊湊且堅固。這些進展將有助于提升對空氣質量的了解，特別是了解影響臭氧形成因素之間的相互作用。
延伸閱讀：
《環境氣體傳感器技術及市場趨勢-2020版》
《傳感器技術和市場趨勢-2020版》
《微型氣體傳感器專利全景分析-2018版》
