美科學家開發出可精準探測氣體泄漏的中紅外雙頻梳激光光譜儀

圖為桌山測試設施（Table Mountain Test Facility）中，科羅拉多大學的紅外激光器（來源：科羅拉多大學博爾德分校的Sean coburn）

據麥姆斯諮詢報道，近日，美國科羅拉多州博爾德市的獨立研究團隊公布了兩項使用激光頻率梳探測天然氣泄漏的新技術。

天然氣泄漏是能源行業的一個重大問題。天然氣泄漏除浪費天然氣外，還會對安全、公共衛生及空氣質量構成嚴重威脅。甲烷既是天然氣的主要組成部分，也是一種強效溫室氣體。

目前，Nima Nader和同事在位於博爾德的美國國家標準與技術研究所（National Institute of Standards and Technology，NIST），共同研發了一款可用於探測氣體泄漏的新型激光晶元。與此同時，Gregory Rieker和同事在科羅拉多大學博爾德分校（the University of Colorado Boulder），也研發了一款紅外光譜系統，該系統距離千米外就可探測出少量的甲烷。

天然氣探測所面臨的挑戰

雖然目前已有幾種監測天然氣泄漏的技術，但各自都有缺陷。一種技術，是僅可在短距離內感測甲烷的專用相機。然而，這種監測過程屬於勞動密集型監測，卻無法全面反映甲烷大面積泄漏的情況。另一種技術，是通過航空或衛星的圖像顯示出數公里範圍內的多個大面積泄漏的情況，但卻無法顯示出泄漏細節。另一個使用航空和衛星圖像所存在的問題是，它們僅可提供單點時間的快照，而不能持續監控。

目前，Nader和NIST的同事們已開發出一款新型中紅外激光光源晶元，該激光晶元可作為探測氣體泄漏的系統的重要部分。中紅外光可被包括甲烷在內的許多有機分子吸收，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，目前中紅外光譜學正面臨著寬頻光源短缺、強雜訊和功率高的難題。

藍寶石上硅

為解決以上這些缺點，Nader的團隊製造了首個中紅外「雙頻梳（Dual-frequency combs）」晶元。為了打造這款激光器，研究人員精心設計了藍寶石上硅（silicon-on-sapphire）波導的幾何形狀和化學成分，這種波導可用於僅1平方厘米大小的晶元上。

雙頻梳是可產生兩束相干光束的低功率激光源。激光的每一個「梳齒」都是某個特定頻率的窄峰，並且分布在寬廣的頻率範圍內，幾乎沒有雜訊。光的光譜性質可以被調諧，這樣系統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距離傳播，因此無需直接接觸化學樣本，就可實現遠程研究。由於頻率梳是穩定的激光源，可檢測到非常少量的化學物質，因此它提高了探測化學物質的靈敏度。」

定位泄漏

科羅拉多大學（University of Colorado）的團隊是首個在博爾德地區部署中紅外雙頻梳激光光譜儀的團隊。他們的最終計劃是建立一個監測系統，在該系統中，可將多個激光源戰略性地部署在天然氣生產基地周圍，所有激光源均指向該基地中心位置的中紅外光譜儀。當該系統的探測數據與大氣模型相結合時，根據泄漏的氣體穿過光束路徑時產生的雙頻梳狀吸收光譜，可提供實時氣體濃度敏感指標。同時，依據該系統的分布特性還可確定泄漏的位置。

該研究團隊已對他們的探測系統進行了初步測試，研究人員說，相比現有監測天然氣的方法，該系統具有顯著的優勢。Rieker解釋道：「我們系統的監測是自動的，因此可實現對某個區域的持續監控。」重要的是，該系統對甲烷和水蒸氣微小的濃度變化也很敏感。Rieker補充說：「由於暴風雨開始時，空氣中的甲烷會被水蒸氣稀釋。因此小泄漏中甲烷濃度的變化與潮濕環境下甲烷的變化可能會一樣。激光頻率梳光譜學使我們能夠同時準確地測量水蒸氣和甲烷。這使我們可以對空氣中的水份進行校正，這對於探測大範圍內甲烷含量的微量增加至關重要。」

科羅拉多大學的研究人員計划進行了兩次實地測試。第一次測試：在位於離激光源一公里遠的地方，模擬了少量、實時變化的甲烷泄漏。該系統檢測到每分鐘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呼出空氣的速度相當。第二次測試：建立可監測有五個潛在泄漏點的天然氣生產場地的光束網路。同樣，該系統不僅精確地探測出了兩個模擬泄漏點，還準確地指出了它們的位置。測試成功後，該團隊希望此系統能夠很快實現商業化。

科羅拉多大學的這項研究成果發表於《Optica》，NIST的研究發表於《APL Photonics》。

延伸閱讀：

《氣體感測器技術和市場》

《CCS揮發性有機化合物MEMS氣體感測器：CCS801》

《紅外LED和激光器技術、應用和產業趨勢》

《紅外新聞》-2017年下半年刊

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