科学家开发出可精准探测气体泄漏的中红外双频梳激光光谱仪

图为桌山测试设施（Table Mountain Test Facility）中，科罗拉多大学的红外激光器

（来源：科罗拉多大学博尔德分校的Sean coburn）

据麦姆斯咨询报道，近日，美国科罗拉多州博尔德市的独立研究团队公布了两项使用激光频率梳探测天然气泄漏的新技术。

天然气泄漏是能源行业的一个重大问题。天然气泄漏除浪费天然气外，还会对安全、公共卫生及空气质量构成严重威胁。甲烷既是天然气的主要组成部分，也是一种强效温室气体。

目前，Nima Nader和同事在位于博尔德的美国国家标准与技术研究所（National Institute of Standards and Technology，NIST），共同研发了一款可用于探测气体泄漏的新型激光芯片。与此同时，Gregory Rieker和同事在科罗拉多大学博尔德分校（the University of Colorado Boulder），也研发了一款红外光谱系统，该系统距离千米外就可探测出少量的甲烷。

天然气探测所面临的挑战

虽然目前已有几种监测天然气泄漏的技术，但各自都有缺陷。一种技术，是仅可在短距离内感测甲烷的专用相机。然而，这种监测过程属于劳动密集型监测，却无法全面反映甲烷大面积泄漏的情况。另一种技术，是通过航空或卫星的图像显示出数公里范围内的多个大面积泄漏的情况，但却无法显示出泄漏细节。另一个使用航空和卫星图像所存在的问题是，它们仅可提供单点时间的快照，而不能持续监控。

目前，Nader和NIST的同事们已开发出一款新型中红外激光光源芯片，该激光芯片可作为探测气体泄漏的系统的重要部分。中红外光可被包括甲烷在内的许多有机分子吸收，因此可通过分析空气吸收光谱，来揭示这些分子的存在。然而，目前中红外光谱学正面临着宽带光源短缺、强噪声和功率高的难题。

蓝宝石上硅

为解决以上这些缺点，Nader的团队制造了首个中红外“双频梳（Dual－frequency combs）”芯片。为了打造这款激光器，研究人员精心设计了蓝宝石上硅（silicon－on－sapphire）波导的几何形状和化学成分，这种波导可用于仅1平方厘米大小的芯片上。

双频梳是可产生两束相干光束的低功率激光源。激光的每一个“梳齿”都是某个特定频率的窄峰，并且分布在宽广的频率范围内，几乎没有噪声。光的光谱性质可以被调谐，这样系统就可以用来研究不同的分子。

Nader解释说，“激光源可完成光的远距离传播，因此无需直接接触化学样本，就可实现远程研究。由于频率梳是稳定的激光源，可检测到非常少量的化学物质，因此它提高了探测化学物质的灵敏度。”

定位泄漏

科罗拉多大学（University of Colorado）的团队是首个在博尔德地区部署中红外双频梳激光光谱仪的团队。他们的最终计划是建立一个监测系统，在该系统中，可将多个激光源战略性地部署在天然气生产基地周围，所有激光源均指向该基地中心位置的中红外光谱仪。当该系统的探测数据与大气模型相结合时，根据泄漏的气体穿过光束路径时产生的双频梳状吸收光谱，可提供实时气体浓度敏感指标。同时，依据该系统的分布特性还可确定泄漏的位置。

该研究团队已对他们的探测系统进行了初步测试，研究人员说，相比现有监测天然气的方法，该系统具有显著的优势。Rieker解释道：“我们系统的监测是自动的，因此可实现对某个区域的持续监控。”重要的是，该系统对甲烷和水蒸气微小的浓度变化也很敏感。Rieker补充说：“由于暴风雨开始时，空气中的甲烷会被水蒸气稀释。因此小泄漏中甲烷浓度的变化与潮湿环境下甲烷的变化可能会一样。激光频率梳光谱学使我们能够同时准确地测量水蒸气和甲烷。这使我们可以对空气中的水份进行校正，这对于探测大范围内甲烷含量的微量增加至关重要。”

科罗拉多大学的研究人员计划进行了两次实地测试。第一次测试：在位于离激光源一公里远的地方，模拟了少量、实时变化的甲烷泄漏。该系统检测到每分钟1．6－8克的甲烷泄漏。这种甲烷的释放速率与人类正常呼吸时呼出空气的速度相当。第二次测试：建立可监测有五个潜在泄漏点的天然气生产场地的光束网络。同样，该系统不仅精确地探测出了两个模拟泄漏点，还准确地指出了它们的位置。测试成功后，该团队希望此系统能够很快实现商业化。

科罗拉多大学的这项研究成果发表于《Optica》，NIST的研究发表于《APL Photonics》。