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。
结合早期版本的测量甲烷的系统，NIST 的双梳技术现在可以感应所有四种主要温室气体，这有助于了解和监测这些与气候变化有关的吸热气体的排放。最新的梳状系统还可以帮助评估城市空气质量。
这些 NIST 仪器通过精确测量宽激光光谱中每种颜色吸收的光量来识别气体特征，因为专门制备的光束会在空气中追踪一条路径。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的排放。与在特定位置采样空气的传统传感器相比，梳状系统可以测量更多数量的气体。与使用其他光源的类似技术相比，这些梳子还提供更高的精度和更长的射程。
NIST 在一篇新论文中描述的最新进展将分析的光谱从近红外转移到中红外，从而能够识别更多不同的气体。较旧的近红外梳状系统可以识别二氧化碳和甲烷，但不能识别一氧化二氮、臭氧或一氧化碳。
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。
频率梳是一种非常精确的“尺子”，用于测量精确的光颜色。每个梳子“齿”标识不同的颜色。为了达到光谱的中红外部分，关键组件是一种特殊设计的晶体材料，称为周期性极化铌酸锂，可在两种颜色之间转换光。本实验中的系统将来自一个梳子的近红外光分成两个分支，使用特殊的光纤和放大器对每个分支的光谱进行不同的展宽和偏移并提高功率，然后在晶体中重新组合这些分支。这产生了较低频率(较长波长)的中红外光，这是两个分支中原始颜色之间的差异。
该系统足够精确，可以捕获所有测量气体的大气水平变化，并且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，将第一个硬性数字放在了博尔德-丹佛地区污染物的参考水平或“清单”上。
“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，”主要作者凯文科塞尔说。“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。”
研究人员计划进一步改进新的梳子仪器。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。
