寬帶近紫外雙光梳光譜儀實現連續測量空氣污染物

陽光對化學過程有很大影響。陽光中的高能紫外線輻射尤其易被所有材料強烈吸收，并引發空氣中物質的光化學反應。一個眾所周知的例子是紫外線照射氮氧化物時地面臭氧的形成。

據麥姆斯咨詢報道，格拉茨技術大學（Graz University of Technology）實驗物理研究所的Birgitta Schultze-Bernhardt領導的一個研究小組正在利用這種光化學反應開發一種新的環境監測方法，研制出世界上第一臺寬帶紫外雙光梳光譜儀，可以連續測量空氣污染物，并實時觀察其與環境的反應。相關研究內容以“Broadband near-ultraviolet dual comb spectroscopy”為題發布在Optica期刊上。

雙光梳光譜儀已經存在了近20年，是一種使用光學頻率梳（簡稱：光梳）光源的大帶寬高分辨率光譜測量儀器。光學頻率梳由等間距相位相干的梳齒構成，它可以作為一把尺子來精確地測量光的頻率，因此是光學計量和光譜測量領域之中最重要的光源。

雙光梳光譜，可以記錄兩個重復頻率中存在微小差異的光梳光源之間的干涉圖樣。在時域方面，表現為兩個重復周期有微小差異的超短脈沖之間進行的等效時間采樣；在頻域方面，表現為兩個有微小梳齒間隔差異光梳的多外差探測。

雙光梳光譜不受傳統光柵光譜儀的幾何限制，也不受傅里葉光譜儀的機械掃描速率限制，在分辨率、準確度和測量速度上均擁有巨大的優勢。

Birgitta Schultze-Bernhardt研究小組開發的雙光梳光譜儀的特殊之處在于，激光器系統在紫外光譜中發射雙光脈沖。當這種紫外線與氣體分子相遇時，它會以電子方式激發分子，并使其轉動和振動，即所謂的振動-轉動能級躍遷。

相比傳統的光譜儀，該寬帶紫外雙光梳光譜儀集三種特性于一身：（1）發射的紫外光譜帶寬大，這意味著可以通過一次測量收集大量關于氣體樣品光學性質的信息；（2）高光譜分辨率，這也將使未來能夠研究復雜的氣體混合物，例如我們的地球大氣層；（3）分析氣體樣本時測量時間短。

Birgitta Schultze-Bernhardt研究小組的博士生、該論文的第一作者Lukas Furst說道：“我們的寬帶紫外雙光梳光譜儀適用于高靈敏度氣體測量，通過這種測量可以非常精確地觀察氣體濃度和化學反應過程的變化?！?/p>

雙光梳光譜儀在紫外光譜區的實驗實現

兩個相干紫外頻率光梳產生的雙梳信號

研究人員使用甲醛氣體測試了他們的雙光梳光譜儀。這種空氣污染物是在燃燒化石燃料和木材時產生的，也是在室內家具使用過程中的由粘合劑產生的。

Birgitta Schultze Bernhardt說：“使用我們的雙光梳光譜儀，可以實時監測紡織或木材加工行業以及城市的甲醛排放，從而提高對人員和環境的保護?！?/p>

寬帶紫外雙光梳光譜儀解決甲醛分子轉動能級問題

該寬帶紫外雙光梳光譜儀的應用還包括其它空氣污染物測量，例如氮氧化物和臭氧以及其它與氣候相關的微量氣體。該研究小組希望這項技術將為大氣監測提供新的途徑，從而可以得出改善空氣質量的新策略。

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