圖為桌山測(cè)試設(shè)施（Table Mountain Test Facility）中，科羅拉多大學(xué)的紅外激光器
（來源：科羅拉多大學(xué)博爾德分校的Sean coburn）
據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，美國(guó)科羅拉多州博爾德市的獨(dú)立研究團(tuán)隊(duì)公布了兩項(xiàng)使用激光頻率梳探測(cè)天然氣泄漏的新技術(shù)。
天然氣泄漏是能源行業(yè)的一個(gè)重大問題。天然氣泄漏除浪費(fèi)天然氣外，還會(huì)對(duì)安全、公共衛(wèi)生及空氣質(zhì)量構(gòu)成嚴(yán)重威脅。甲烷既是天然氣的主要組成部分，也是一種強(qiáng)效溫室氣體。
目前，Nima Nader和同事在位于博爾德的美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（National Institute of Standards and Technology，NIST），共同研發(fā)了一款可用于探測(cè)氣體泄漏的新型激光芯片。與此同時(shí)，Gregory Rieker和同事在科羅拉多大學(xué)博爾德分校（the University of Colorado Boulder），也研發(fā)了一款紅外光譜系統(tǒng)，該系統(tǒng)距離千米外就可探測(cè)出少量的甲烷。
天然氣探測(cè)所面臨的挑戰(zhàn)
雖然目前已有幾種監(jiān)測(cè)天然氣泄漏的技術(shù)，但各自都有缺陷。一種技術(shù)，是僅可在短距離內(nèi)感測(cè)甲烷的專用相機(jī)。然而，這種監(jiān)測(cè)過程屬于勞動(dòng)密集型監(jiān)測(cè)，卻無法全面反映甲烷大面積泄漏的情況。另一種技術(shù)，是通過航空或衛(wèi)星的圖像顯示出數(shù)公里范圍內(nèi)的多個(gè)大面積泄漏的情況，但卻無法顯示出泄漏細(xì)節(jié)。另一個(gè)使用航空和衛(wèi)星圖像所存在的問題是，它們僅可提供單點(diǎn)時(shí)間的快照，而不能持續(xù)監(jiān)控。
目前，Nader和NIST的同事們已開發(fā)出一款新型中紅外激光光源芯片，該激光芯片可作為探測(cè)氣體泄漏的系統(tǒng)的重要部分。中紅外光可被包括甲烷在內(nèi)的許多有機(jī)分子吸收，因此可通過分析空氣吸收光譜，來揭示這些分子的存在。然而，目前中紅外光譜學(xué)正面臨著寬帶光源短缺、強(qiáng)噪聲和功率高的難題。
藍(lán)寶石上硅
為解決以上這些缺點(diǎn)，Nader的團(tuán)隊(duì)制造了首個(gè)中紅外“雙頻梳（Dual－frequency combs）”芯片。為了打造這款激光器，研究人員精心設(shè)計(jì)了藍(lán)寶石上硅（silicon－on－sapphire）波導(dǎo)的幾何形狀和化學(xué)成分，這種波導(dǎo)可用于僅1平方厘米大小的芯片上。
雙頻梳是可產(chǎn)生兩束相干光束的低功率激光源。激光的每一個(gè)“梳齒”都是某個(gè)特定頻率的窄峰，并且分布在寬廣的頻率范圍內(nèi)，幾乎沒有噪聲。光的光譜性質(zhì)可以被調(diào)諧，這樣系統(tǒng)就可以用來研究不同的分子。
Nader解釋說，“激光源可完成光的遠(yuǎn)距離傳播，因此無需直接接觸化學(xué)樣本，就可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程研究。由于頻率梳是穩(wěn)定的激光源，可檢測(cè)到非常少量的化學(xué)物質(zhì)，因此它提高了探測(cè)化學(xué)物質(zhì)的靈敏度。”
定位泄漏
科羅拉多大學(xué)（University of Colorado）的團(tuán)隊(duì)是首個(gè)在博爾德地區(qū)部署中紅外雙頻梳激光光譜儀的團(tuán)隊(duì)。他們的最終計(jì)劃是建立一個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，可將多個(gè)激光源戰(zhàn)略性地部署在天然氣生產(chǎn)基地周圍，所有激光源均指向該基地中心位置的中紅外光譜儀。當(dāng)該系統(tǒng)的探測(cè)數(shù)據(jù)與大氣模型相結(jié)合時(shí)，根據(jù)泄漏的氣體穿過光束路徑時(shí)產(chǎn)生的雙頻梳狀吸收光譜，可提供實(shí)時(shí)氣體濃度敏感指標(biāo)。同時(shí)，依據(jù)該系統(tǒng)的分布特性還可確定泄漏的位置。
該研究團(tuán)隊(duì)已對(duì)他們的探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了初步測(cè)試，研究人員說，相比現(xiàn)有監(jiān)測(cè)天然氣的方法，該系統(tǒng)具有顯著的優(yōu)勢(shì)。Rieker解釋道：“我們系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)是自動(dòng)的，因此可實(shí)現(xiàn)對(duì)某個(gè)區(qū)域的持續(xù)監(jiān)控。”重要的是，該系統(tǒng)對(duì)甲烷和水蒸氣微小的濃度變化也很敏感。Rieker補(bǔ)充說：“由于暴風(fēng)雨開始時(shí)，空氣中的甲烷會(huì)被水蒸氣稀釋。因此小泄漏中甲烷濃度的變化與潮濕環(huán)境下甲烷的變化可能會(huì)一樣。激光頻率梳光譜學(xué)使我們能夠同時(shí)準(zhǔn)確地測(cè)量水蒸氣和甲烷。這使我們可以對(duì)空氣中的水份進(jìn)行校正，這對(duì)于探測(cè)大范圍內(nèi)甲烷含量的微量增加至關(guān)重要。”
科羅拉多大學(xué)的研究人員計(jì)劃進(jìn)行了兩次實(shí)地測(cè)試。第一次測(cè)試：在位于離激光源一公里遠(yuǎn)的地方，模擬了少量、實(shí)時(shí)變化的甲烷泄漏。該系統(tǒng)檢測(cè)到每分鐘1．6－8克的甲烷泄漏。這種甲烷的釋放速率與人類正常呼吸時(shí)呼出空氣的速度相當(dāng)。第二次測(cè)試：建立可監(jiān)測(cè)有五個(gè)潛在泄漏點(diǎn)的天然氣生產(chǎn)場(chǎng)地的光束網(wǎng)絡(luò)。同樣，該系統(tǒng)不僅精確地探測(cè)出了兩個(gè)模擬泄漏點(diǎn)，還準(zhǔn)確地指出了它們的位置。測(cè)試成功后，該團(tuán)隊(duì)希望此系統(tǒng)能夠很快實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。
科羅拉多大學(xué)的這項(xiàng)研究成果發(fā)表于《Optica》，NIST的研究發(fā)表于《APL Photonics》。
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