宽带近紫外双光梳光谱仪实现连续测量空气污染物

原创 MEMS 2024-04-22 00:01

阳光对化学过程有很大影响。阳光中的高能紫外线辐射尤其易被所有材料强烈吸收,并引发空气中物质的光化学反应。一个众所周知的例子是紫外线照射氮氧化物时地面臭氧的形成。

据麦姆斯咨询报道,格拉茨技术大学(Graz University of Technology)实验物理研究所的Birgitta Schultze-Bernhardt领导的一个研究小组正在利用这种光化学反应开发一种新的环境监测方法,研制出世界上第一台宽带紫外双光梳光谱仪,可以连续测量空气污染物,并实时观察其与环境的反应。相关研究内容以“Broadband near-ultraviolet dual comb spectroscopy”为题发布在Optica期刊上。

双光梳光谱仪已经存在了近20年,是一种使用光学频率梳(简称:光梳)光源的大带宽高分辨率光谱测量仪器。光学频率梳由等间距相位相干的梳齿构成,它可以作为一把尺子来精确地测量光的频率,因此是光学计量和光谱测量领域之中最重要的光源。

双光梳光谱,可以记录两个重复频率中存在微小差异的光梳光源之间的干涉图样。在时域方面,表现为两个重复周期有微小差异的超短脉冲之间进行的等效时间采样;在频域方面,表现为两个有微小梳齿间隔差异光梳的多外差探测。

双光梳光谱不受传统光栅光谱仪的几何限制,也不受傅里叶光谱仪的机械扫描速率限制,在分辨率、准确度和测量速度上均拥有巨大的优势。

Birgitta Schultze-Bernhardt研究小组开发的双光梳光谱仪的特殊之处在于,激光器系统在紫外光谱中发射双光脉冲。当这种紫外线与气体分子相遇时,它会以电子方式激发分子,并使其转动和振动,即所谓的振动-转动能级跃迁。


Birgitta Schultze-Bernhardt研究小组及其研发的宽带紫外双光梳光谱仪

相比传统的光谱仪,该宽带紫外双光梳光谱仪集三种特性于一身:(1)发射的紫外光谱带宽大,这意味着可以通过一次测量收集大量关于气体样品光学性质的信息;(2)高光谱分辨率,这也将使未来能够研究复杂的气体混合物,例如我们的地球大气层;(3)分析气体样本时测量时间短。

Birgitta Schultze-Bernhardt研究小组的博士生、该论文的第一作者Lukas Furst说道:“我们的宽带紫外双光梳光谱仪适用于高灵敏度气体测量,通过这种测量可以非常精确地观察气体浓度和化学反应过程的变化。”


双光梳光谱仪在紫外光谱区的实验实现


两个相干紫外频率光梳产生的双梳信号

研究人员使用甲醛气体测试了他们的双光梳光谱仪。这种空气污染物是在燃烧化石燃料和木材时产生的,也是在室内家具使用过程中的由粘合剂产生的。

Birgitta Schultze Bernhardt说:“使用我们的双光梳光谱仪,可以实时监测纺织或木材加工行业以及城市的甲醛排放,从而提高对人员和环境的保护。”


宽带紫外双光梳光谱仪解决甲醛分子转动能级问题

该宽带紫外双光梳光谱仪的应用还包括其它空气污染物测量,例如氮氧化物和臭氧以及其它与气候相关的微量气体。该研究小组希望这项技术将为大气监测提供新的途径,从而可以得出改善空气质量的新策略。

论文信息:
https://doi.org/10.1364/OPTICA.516783


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