智能新型激光技术可以更快 更灵敏地监测温室气体

美国国家标准与技术研究所(NIST的科学家开发出一种新的激光技术，可以大大提高我们分析各种材料和气体(包括温室气体的能力。这种新方法称为“自由形式双梳光谱法”，它提供了一种更快、更灵活、更灵敏的方法来分析空气和其他材料中的物质。

在这项发表在《自然光子学》杂志上的研究中，研究人员证明，他们的实验室系统可以检测单一气体，即强效温室气体甲烷，灵敏度比传统的双梳系统高22倍。这种灵敏度的提高有朝一日可能有助于识别原本可能被忽视的小泄漏或排放，从而可能有助于应对气候变化。

光谱学是一种复杂的技术，科学家可以通过观察物质与光的相互作用来识别和测量不同的物质。就像棱镜将白光分离成彩虹色一样，光谱学可以分离来自或穿过物质的光，揭示其独特的“指纹”，并提供有关其特性和成分的宝贵信息。

NIST研究人员发明了一种改进版的激光测量技术，称为双梳光谱法。双梳光谱法是一种分辨率特别高的光谱法，可以同时精细地检查多种颜色的光。

新的激光测量技术改进了旧方法，允许科学家以令人难以置信的精度控制激光脉冲的时间。这种精确的控制使他们能够专注于样本指纹中最重要的部分，而忽略那些没有提供有用信息的区域。因此，更智能的系统可以比以前更快地检测和测量物质。

这种新方法有多种用途。例如，科学家可以用它来快速创建显示气体在空间中分布的图像。或者，如果研究人员不知道他们正在调查的区域中究竟存在哪种气体，他们可以使用一种称为压缩采样的通用技术。这是一种“智能”的测量方法，集中于可能包含重要信息的区域，而较少测量其他区域。这种策略使整个过程比传统方法效率高10到100倍。

气体羽流的可视化

这项技术可以快速生成各种气体云的详细图像。在这项研究中，研究人员创建了甲烷羽流的实时图像。甲烷是一种导致气候变化的强效温室气体，因此能够有效地检测和解决这些泄漏问题，有朝一日可能有助于保护环境和改善空气质量。通过快速生成甲烷羽流图像，科学家可以快速识别气体泄漏的位置。

该技术不仅适用于检测温室气体，而且适用于科学家需要识别和测量气体的任何情况。

自由形式双梳光谱法可能读起来有点拗口，但通过将其分解为几个无缝协作的部分，可以更容易地理解这项技术的工作原理。

这种方法的核心在于诺贝尔奖得主光学频率梳，这是一种激光工具，可以产生一系列等距、精确的频率，类似于梳齿。这些频率梳用于各种用途，从精确计时到医学诊断，甚至用于寻找难以捉摸的暗物质。

该技术的“双梳”方面是指使用两个光学频率梳一起工作。这种方法通过分析物质如何与两个梳子发出的光相互作用，可以快速、精确地测量物质。这种技术比单梳快得多，并且可以提供比许多传统光谱方法更详细的信息。

“自由形式”是指最近实现的高精度频率梳控制的灵活性。频率梳发射的光脉冲持续时间仅为100飞秒。在这些短暂的光爆发中，都有一个电场以极快的速度振动，每秒振动数百万次。快速准确地控制这种快速光的能力使研究人员能够改进和调整他们的测量方式。

双梳的下一个重大飞跃

随着世界努力应对环境挑战并需要改进安全措施，这项创新的激光技术提供了一种有前途的新工具。通过实现对气体和其他物质的更智能检测，它可以在未来几年在保护公众健康和环境方面发挥关键作用。

研究人员计划继续在实验室中改进他们的系统，使其速度更快，并调整他们的方法以适应各种激光波长。

NIST研究员EstherBaumann表示：“我们系统的灵活性意味着它可以适用于广泛的应用。未来，我们可能会看到基于这项技术的更多功能和更高效的传感器，应用于从空气质量监测器到食品安全检测器，再到研究材料燃烧方式或非侵入性评估肌肉健康状况等各个领域。”