圖 1(右)： LP-DOAS 光學(xué)設(shè)置示例。圖片來(lái)源：海德堡大學(xué)環(huán)境物理研究所。改編自 Sihler (2007)。

測(cè)量大氣中的痕量氣體

長(zhǎng)程差分光學(xué)吸收光譜 (LP-DOAS) 是一種光學(xué)技術(shù)，可同時(shí)對(duì)大氣中的多種氣體進(jìn)行痕量測(cè)量。比爾-朗伯定律基于光路中每種氣體的吸光截面、每種氣體的濃度以及與光散射相關(guān)的消光因子，描述了測(cè)量的光譜與發(fā)射光譜之間的關(guān)系。 LP-DOAS 應(yīng)用該定律來(lái)測(cè)量各種氣體，低至痕量濃度。

Energetiq 的 LDLS ?用于 LP-DOAS的主要優(yōu)勢(shì)

高輻射率和空間穩(wěn)定性，從而實(shí)現(xiàn)相對(duì)于預(yù)期值更低的噪聲和更低的 RMS 誤差。

高輻射率可實(shí)現(xiàn)更高強(qiáng)度的吞吐量，從而實(shí)現(xiàn)更高的時(shí)間分辨率(更短的測(cè)量時(shí)間)。

LP-DOAS 已用于各種應(yīng)用，包括城市污染研究、火山排放遙感以及大氣鹵素化學(xué)研究。主要大都市地區(qū)的臭氧 (O3) 污染正在加劇。臭氧負(fù)責(zé)大氣成分的氧化，從而產(chǎn)生二次污染物。根據(jù)上海收集的數(shù)據(jù)，O3的水平也與NO2的濃度密切相關(guān)。二氧化氮 (NO2) 是內(nèi)燃機(jī)和許多工業(yè)過程釋放的污染物。接觸二氧化氮會(huì)導(dǎo)致呼吸系統(tǒng)問題并刺激眼睛和皮膚。由于這些原因，二氧化氮是城市環(huán)境中需要監(jiān)測(cè)的重要物種。

除了 NO2之外，LP-DOAS 還可以對(duì)吸收紫外線到近紅外波長(zhǎng)范圍(270nm - 800nm)的其他氣體提供低檢測(cè)水平(以每摩爾納摩爾到每摩爾皮摩爾范圍測(cè)量)?？蓹z測(cè)的物質(zhì)包括：NO2、NO3、HONO、O3、SO2、CIO、OCIO、BrO、IO、OBrO、OIO、I2、OIO、甲醛、乙二醛和氧二聚體 O4。

用于優(yōu)化 LP-DOAS 性能的激光驅(qū)動(dòng)光源

典型的 LP-DOAS 光學(xué)系統(tǒng)包括寬帶光源，覆蓋從紫外線到近紅外波長(zhǎng)范圍的波長(zhǎng)。來(lái)自光源的光被準(zhǔn)直并沿著測(cè)量路徑引導(dǎo)至后向反射器。然后光被反射回來(lái)并被光譜儀收集以進(jìn)行分析。圖 1 顯示了一個(gè)示例設(shè)置。光源的特性會(huì)顯著影響系統(tǒng)在檢測(cè)限和速度(時(shí)間分辨率)方面的性能。

Energetiq 的激光驅(qū)動(dòng)光源 (LDLS ?)使用激光激發(fā)并維持直徑為 100 μm – 300 μm 的氙等離子體。結(jié)果是一種極其明亮的寬帶輻射發(fā)射器，覆蓋 170 nm - 2500 nm 的波長(zhǎng)范圍。在傳統(tǒng)的等離子體源中，例如氙短弧燈，由于使用電極來(lái)維持等離子體，因此亮度、空間穩(wěn)定性和壽命受到限制。 LDLS 中發(fā)射的等離子體大約比典型 75W 短弧氙燈中的照明等離子體小十倍。非常小的等離子體產(chǎn)生高光譜輻射率并表現(xiàn)出高水平的空間穩(wěn)定性。高輻射率和空間穩(wěn)定性的結(jié)合使光能夠有效地耦合到小孔徑和小直徑光纖中。小等離子體也近似于點(diǎn)源，能夠以低發(fā)散角進(jìn)行準(zhǔn)直，這對(duì)于長(zhǎng)光路長(zhǎng)度的應(yīng)用非常重要。

海德堡大學(xué)的研究人員在他們的 LP-DOAS 設(shè)置中利用激光驅(qū)動(dòng)光源(如圖 1 所示)來(lái)同時(shí)測(cè)量大氣中的多種氣體種類。 LDLS 的高輻射率使其能夠?qū)⒐庥行У伛詈系叫⌒緩焦饫w中，從而使研究人員能夠嘗試傳統(tǒng)氙氣短弧燈或 LED 無(wú)法實(shí)現(xiàn)的光學(xué)設(shè)計(jì)。優(yōu)化光學(xué)設(shè)置后，研究人員認(rèn)識(shí)到，LDLS 的高輻射率和空間穩(wěn)定性相結(jié)合可帶來(lái)更低的噪聲和更高的精度，正如通過較低的測(cè)量殘差(與預(yù)期值相比較低的 RMS 誤差)觀察到的那樣。他們還發(fā)現(xiàn) LDLS 帶來(lái)更高的整體光通量，從而縮短測(cè)量時(shí)間，因此，導(dǎo)致更高的時(shí)間分辨率。

中國(guó)上海的科學(xué)家安裝了 LP-DOAS 系統(tǒng)來(lái)測(cè)量二氧化氮 (NO2) 濃度。他們的光學(xué)裝置包括 LDLS 和 2.6 公里的路徑長(zhǎng)度。 LDLS 具有多種優(yōu)點(diǎn)，包括高亮度、完整的波長(zhǎng)范圍、出色的短期和長(zhǎng)期穩(wěn)定性以及長(zhǎng)壽命。由于光路跨越市區(qū)很長(zhǎng)一段距離，路燈、過往車輛和環(huán)境中其他來(lái)源造成的雜散光效應(yīng)值得關(guān)注。由于 LDLS 的高輻射率導(dǎo)致更高強(qiáng)度的光通量，因此盡管存在雜散光源，它們?nèi)阅軌驅(qū)崿F(xiàn)更高的信噪比。

結(jié)論

激光驅(qū)動(dòng)光源具有高光譜輻射亮度(等離子體尺寸小)、高空間穩(wěn)定性和長(zhǎng)壽命。當(dāng)用于 LP-DOAS 時(shí)，這些特性可轉(zhuǎn)化為更高的整體精度、更快的測(cè)量(更高的時(shí)間分辨率)以及在存在雜散光的情況下更好的測(cè)量。

審核編輯 黃宇