升级后的中红外平台可提供关键的大气数据，帮助评估空气质量。
激光频率梳的输出信号由一系列离散、等间距的频率线组成，已经成为气体传感应用和探测多种类气体的极具价值的方法。据麦姆斯咨询报道，目前，美国国家标准与技术协会（NIST）的最新研究项目已经论证了将这种方法扩展到实现单频梳设备检测多种主要温室气体。
该项研究有助于了解和监测与气候变化相关的温室气体的排放，以及监测空气质量和污染状况。
NIST先前应用频率梳技术的研究主要包括：用于监测农业中甲烷和氨气的便携式系统、以及用于望远镜和原子钟的芯片微梳（chip-based microcombs）。
正如Laser & Photonics Reviews中所评述，这项新研究进展将频率梳的光谱区域从近红外转移至中红外，因此能够将多种更令人感兴趣的化学物质纳入探测范围。该论文链接为：https://doi.org/10.1002/lpor.202000583。
由于特制的光束会在空气中沿着一条路径传播，因此新型中红外双频梳系统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，及测量牲畜的气体排放。与传统传感器相比，该系统可以测量更多种类气体，传统传感器只能在特定位置取样。与使用其他光源的类似技术相比，该系统还能提供更高的精度并且支持更长的探测距离。
一直以来，中红外直接成像在医疗和诊断应用中具有重要意义，开发出更经济的中红外光源和探测器被认为是提升癌症诊断技术的重要途径。
对于大气研究来说，NIST的新型中红外双频梳系统专为实现在5微米红外窗口探测多种气体而设计；在该波段，温室气体NO和CO2、水、臭氧以及CO均非常容易探测。
NIST的平台主要基于开放光路傅里叶变换红外光谱学（OP-FTIR），其中气体分析沿着开放的线性路径进行，再利用反射镜将光反射回原设备进行分析。
NIST新型中红外双频梳系统原理图
OP-FTIR与双梳光谱学相结合，采用两种重复频率略有不同的激光频率梳来替代宽带光源，从而缩小了设备尺寸、降低了系统复杂性。
“在本次实验中，该系统将源自一个原始频率梳的近红外光分为两个分支；利用特殊光纤和放大器，拓宽并偏移每个分支频率梳的光谱，并提高其功率；然后在铌酸锂晶体中重组两个分支光，从而产生中红外光。”该研究项目论述道。
保证大气数据的准确性意义非凡
NIST园区坐落于美国科罗拉多州博尔德，该研究项目利用其新型中红外双频梳系统探测了往返距离为600米和2公里的开放式路径。该系统位于NIST大楼顶楼的房间中，第一路径为将光发射至300米远NOAA大楼阳台上的反射镜；第二路径为将光发射至1公里外的反射镜。NOAA大楼阳台上的观测点还记录了N2O、CO和水含量，NIST大楼顶楼则使用3D声波风速计（sonic anemometer）记录了风速和风向。
新型中红外双频梳系统开放式路径探测示意图
在该研究项目中，测量周期为5天，时间分辨率为2分钟，这样的测量精度足够探测多种气体的大气浓度变化。此次研究结果与传统CO和N2O单点传感器的结果一致。
值得注意的是，NIST指出，该系统对过量CO与CO2比率的测量结果与类似城市的研究结果一致，仅为美国国家排放清单（NEI）预测水平的三分之一。这些测量结果提供了衡量燃料在汽车等排放源中燃烧效率的方法。
“与NEI预测水平的比较显示，建立清单资料非常困难，尤其是涉及大面积地区的清单资料，同时有测量数据反馈这些清单资料的准确性也至关重要。”NIST的Kevin Cossel表示，“为了了解和预测空气质量和污染的影响，建模人员确实需要依赖于清单资料，因此清单资料的准确性是至关重要的。”
研究人员计划进一步改进该系统，计划将扩展探测距离，同时还计划通过增加光功率和其他调整来提高其探测灵敏度，从而实现探测更多种类的气体。最后，研究人员正在努力使该系统更加紧凑且坚固。这些进展将有助于提升对空气质量的了解，特别是了解影响臭氧形成因素之间的相互作用。
延伸阅读：
《环境气体传感器技术及市场趋势-2020版》
《传感器技术和市场趋势-2020版》
《微型气体传感器专利全景分析-2018版》
