激光驱动光源 (LDLS®) 可改进痕量气体测量

图 1(右)： LP-DOAS 光学设置示例。图片来源：海德堡大学环境物理研究所。改编自 Sihler (2007)。

测量大气中的痕量气体

长程差分光学吸收光谱 (LP-DOAS) 是一种光学技术，可同时对大气中的多种气体进行痕量测量。比尔-朗伯定律基于光路中每种气体的吸光截面、每种气体的浓度以及与光散射相关的消光因子，描述了测量的光谱与发射光谱之间的关系。 LP-DOAS 应用该定律来测量各种气体，低至痕量浓度。

Energetiq 的 LDLS ®用于 LP-DOAS的主要优势

高辐射率和空间稳定性，从而实现相对于预期值更低的噪声和更低的 RMS 误差。

高辐射率可实现更高强度的吞吐量，从而实现更高的时间分辨率(更短的测量时间)。

LP-DOAS 已用于各种应用，包括城市污染研究、火山排放遥感以及大气卤素化学研究。主要大都市地区的臭氧 (O3) 污染正在加剧。臭氧负责大气成分的氧化，从而产生二次污染物。根据上海收集的数据，O3的水平也与NO2的浓度密切相关。二氧化氮 (NO2) 是内燃机和许多工业过程释放的污染物。接触二氧化氮会导致呼吸系统问题并刺激眼睛和皮肤。由于这些原因，二氧化氮是城市环境中需要监测的重要物种。

除了 NO2之外，LP-DOAS 还可以对吸收紫外线到近红外波长范围(270nm - 800nm)的其他气体提供低检测水平(以每摩尔纳摩尔到每摩尔皮摩尔范围测量)。可检测的物质包括：NO2、NO3、HONO、O3、SO2、CIO、OCIO、BrO、IO、OBrO、OIO、I2、OIO、甲醛、乙二醛和氧二聚体 O4。

用于优化 LP-DOAS 性能的激光驱动光源

典型的 LP-DOAS 光学系统包括宽带光源，覆盖从紫外线到近红外波长范围的波长。来自光源的光被准直并沿着测量路径引导至后向反射器。然后光被反射回来并被光谱仪收集以进行分析。图 1 显示了一个示例设置。光源的特性会显着影响系统在检测限和速度(时间分辨率)方面的性能。

Energetiq 的激光驱动光源 (LDLS Ⓡ)使用激光激发并维持直径为 100 µm – 300 µm 的氙等离子体。结果是一种极其明亮的宽带辐射发射器，覆盖 170 nm - 2500 nm 的波长范围。在传统的等离子体源中，例如氙短弧灯，由于使用电极来维持等离子体，因此亮度、空间稳定性和寿命受到限制。 LDLS 中发射的等离子体大约比典型 75W 短弧氙灯中的照明等离子体小十倍。非常小的等离子体产生高光谱辐射率并表现出高水平的空间稳定性。高辐射率和空间稳定性的结合使光能够有效地耦合到小孔径和小直径光纤中。小等离子体也近似于点源，能够以低发散角进行准直，这对于长光路长度的应用非常重要。

海德堡大学的研究人员在他们的 LP-DOAS 设置中利用激光驱动光源(如图 1 所示)来同时测量大气中的多种气体种类。 LDLS 的高辐射率使其能够将光有效地耦合到小芯径光纤中，从而使研究人员能够尝试传统氙气短弧灯或 LED 无法实现的光学设计。优化光学设置后，研究人员认识到，LDLS 的高辐射率和空间稳定性相结合可带来更低的噪声和更高的精度，正如通过较低的测量残差(与预期值相比较低的 RMS 误差)观察到的那样。他们还发现 LDLS 带来更高的整体光通量，从而缩短测量时间，因此，导致更高的时间分辨率。

中国上海的科学家安装了 LP-DOAS 系统来测量二氧化氮 (NO2) 浓度。他们的光学装置包括 LDLS 和 2.6 公里的路径长度。 LDLS 具有多种优点，包括高亮度、完整的波长范围、出色的短期和长期稳定性以及长寿命。由于光路跨越市区很长一段距离，路灯、过往车辆和环境中其他来源造成的杂散光效应值得关注。由于 LDLS 的高辐射率导致更高强度的光通量，因此尽管存在杂散光源，它们仍能够实现更高的信噪比。

结论

激光驱动光源具有高光谱辐射亮度(等离子体尺寸小)、高空间稳定性和长寿命。当用于 LP-DOAS 时，这些特性可转化为更高的整体精度、更快的测量(更高的时间分辨率)以及在存在杂散光的情况下更好的测量。

审核编辑 黄宇