圖 1(右)： LP-DOAS 光學設置示例。圖片來源：海德堡大學環境物理研究所。改編自 Sihler (2007)。

測量大氣中的痕量氣體

長程差分光學吸收光譜 (LP-DOAS) 是一種光學技術，可同時對大氣中的多種氣體進行痕量測量。比爾-朗伯定律基于光路中每種氣體的吸光截面、每種氣體的濃度以及與光散射相關的消光因子，描述了測量的光譜與發射光譜之間的關系。 LP-DOAS 應用該定律來測量各種氣體，低至痕量濃度。

Energetiq 的 LDLS ?用于 LP-DOAS的主要優勢

高輻射率和空間穩定性，從而實現相對于預期值更低的噪聲和更低的 RMS 誤差。

高輻射率可實現更高強度的吞吐量，從而實現更高的時間分辨率(更短的測量時間)。

LP-DOAS 已用于各種應用，包括城市污染研究、火山排放遙感以及大氣鹵素化學研究。主要大都市地區的臭氧 (O3) 污染正在加劇。臭氧負責大氣成分的氧化，從而產生二次污染物。根據上海收集的數據，O3的水平也與NO2的濃度密切相關。二氧化氮 (NO2) 是內燃機和許多工業過程釋放的污染物。接觸二氧化氮會導致呼吸系統問題并刺激眼睛和皮膚。由于這些原因，二氧化氮是城市環境中需要監測的重要物種。

除了 NO2之外，LP-DOAS 還可以對吸收紫外線到近紅外波長范圍(270nm - 800nm)的其他氣體提供低檢測水平(以每摩爾納摩爾到每摩爾皮摩爾范圍測量)。可檢測的物質包括：NO2、NO3、HONO、O3、SO2、CIO、OCIO、BrO、IO、OBrO、OIO、I2、OIO、甲醛、乙二醛和氧二聚體 O4。

用于優化 LP-DOAS 性能的激光驅動光源

典型的 LP-DOAS 光學系統包括寬帶光源，覆蓋從紫外線到近紅外波長范圍的波長。來自光源的光被準直并沿著測量路徑引導至后向反射器。然后光被反射回來并被光譜儀收集以進行分析。圖 1 顯示了一個示例設置。光源的特性會顯著影響系統在檢測限和速度(時間分辨率)方面的性能。

Energetiq 的激光驅動光源 (LDLS ?)使用激光激發并維持直徑為 100 μm – 300 μm 的氙等離子體。結果是一種極其明亮的寬帶輻射發射器，覆蓋 170 nm - 2500 nm 的波長范圍。在傳統的等離子體源中，例如氙短弧燈，由于使用電極來維持等離子體，因此亮度、空間穩定性和壽命受到限制。 LDLS 中發射的等離子體大約比典型 75W 短弧氙燈中的照明等離子體小十倍。非常小的等離子體產生高光譜輻射率并表現出高水平的空間穩定性。高輻射率和空間穩定性的結合使光能夠有效地耦合到小孔徑和小直徑光纖中。小等離子體也近似于點源，能夠以低發散角進行準直，這對于長光路長度的應用非常重要。

海德堡大學的研究人員在他們的 LP-DOAS 設置中利用激光驅動光源(如圖 1 所示)來同時測量大氣中的多種氣體種類。 LDLS 的高輻射率使其能夠將光有效地耦合到小芯徑光纖中，從而使研究人員能夠嘗試傳統氙氣短弧燈或 LED 無法實現的光學設計。優化光學設置后，研究人員認識到，LDLS 的高輻射率和空間穩定性相結合可帶來更低的噪聲和更高的精度，正如通過較低的測量殘差(與預期值相比較低的 RMS 誤差)觀察到的那樣。他們還發現 LDLS 帶來更高的整體光通量，從而縮短測量時間，因此，導致更高的時間分辨率。

中國上海的科學家安裝了 LP-DOAS 系統來測量二氧化氮 (NO2) 濃度。他們的光學裝置包括 LDLS 和 2.6 公里的路徑長度。 LDLS 具有多種優點，包括高亮度、完整的波長范圍、出色的短期和長期穩定性以及長壽命。由于光路跨越市區很長一段距離，路燈、過往車輛和環境中其他來源造成的雜散光效應值得關注。由于 LDLS 的高輻射率導致更高強度的光通量，因此盡管存在雜散光源，它們仍能夠實現更高的信噪比。

結論

激光驅動光源具有高光譜輻射亮度(等離子體尺寸小)、高空間穩定性和長壽命。當用于 LP-DOAS 時，這些特性可轉化為更高的整體精度、更快的測量(更高的時間分辨率)以及在存在雜散光的情況下更好的測量。

審核編輯 黃宇