新型智能激光技术可更快、更灵敏地监测温室气体

美国国家标准与技术研究院（NIST）的科学家们开发出了一种基于激光的新技术，可以极大地提高我们分析包括温室气体在内的各种材料和气体的能力。在这项发表在《自然-光子学》（Nature Photonics）上的具体研究中，研究人员证明，他们基于实验室的系统可以检测单一气体，在本例中是强效温室气体甲烷，其灵敏度比传统的双梳系统高出 22 倍。这种灵敏度的提高有朝一日可以帮助识别可能被忽视的微小泄漏或排放，从而为应对气候变化提供潜在帮助。

光谱学是一种复杂的技术，科学家可以通过观察不同材料与光的相互作用来识别和测量它们。正如三棱镜能将白光分离成彩虹色一样，光谱学也能将来自或穿过某种物质的光分离开来，从而揭示其独特的 “指纹”，并提供有关其性质和成分的宝贵信息。

NIST 的研究人员创造了一种改进版的激光测量技术，称为双梳光谱法。双梳光谱学是一种分辨率特别高的光谱学形式，可以同时对多种颜色的光进行精细检查。

新的激光测量技术改进了旧的方法，使科学家能够以惊人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，而忽略那些不能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，科学家可以利用它快速创建图像，显示气体在空间中的分布情况。另外，如果研究人员不知道他们正在调查的区域内到底有哪种气体，他们可以使用一种叫做压缩采样的通用技术。这是一种 “聪明 ”的测量方法，集中在可能有重要信息的区域，而在其他地方进行较少的测量。这种策略使整个过程的效率比传统方法高出 10 到 100 倍。

可视化气体羽流

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。甲烷是一种强烈的温室气体，会导致气候变化，因此能够有效地检测和解决这些泄漏问题将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，科学家们可以迅速确定气体泄漏的位置。

这种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。

两个激光器比一个好

自由形式双梳光谱法的发音可能很拗口，但将其分解为几个部分，并使其完美地结合在一起，就能更容易地理解这项技术的工作原理。

这种方法的核心在于获得诺贝尔奖的光学频率梳，它是一种激光工具，能产生一系列等距、精确频率的光，就像梳齿一样。这种频率梳用途广泛，从精密计时到医疗诊断，甚至用于寻找难以捉摸的暗物质。

这项技术的 “双梳 ”方面是指使用两个光学频率梳共同工作。这种方法通过分析物质如何与来自两个频梳的光相互作用，实现对物质的快速、精确测量。这种技术比单个梳状器快得多，而且能提供比许多传统光谱学方法更详细的信息。

“自由形式 "指的是最近才有可能实现的高精度频率梳控制的灵活性。频率梳发出的光脉冲持续时间仅为 100 飞秒。在每个短暂的光脉冲中，都有一个电场在快速振动，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测量方法。

双梳的的下一个重大飞跃

在全球努力应对环境挑战和改进安全措施的需要之际，这种创新的激光技术提供了一种前景广阔的新工具。通过对气体和其他物质进行更智能的检测，这项技术在未来几年将在保护公众健康和环境方面发挥至关重要的作用。

研究人员计划在实验室中继续改进他们的系统，使其速度更快，并使他们的方法适用于多种激光波长。

NIST 研究人员 Esther Baumann 说："我们系统的灵活性意味着它可以适用于广泛的应用领域。未来，我们可能会在空气质量监测器、食品安全检测器、材料燃烧研究或非侵入式肌肉健康评估等各种领域看到基于这项技术的更多功能和更高效的传感器"。

相关链接：https://phys.org/news/2024-10-smart-laser-technology-greenhouse-gases.html

论文链接：https://dx.doi.org/10.1038/s41566-024-01530-y