科学家们研制出一种中红外双频梳状激光光谱仪，能够准确地检测气体泄漏。

该咨询公司称，科罗拉多州博尔德(Boulder)的一个独立研究小组最近推出了两种利用激光频率梳子探测天然气泄漏的新技术。

天然气泄漏是能源工业的一个主要问题。除了浪费天然气外，天然气泄漏还对安全、公众健康和空气质量构成严重威胁。甲烷不仅是天然气的主要组成部分，而且是一种强有力的温室气体。

目前，NimaNader和位于博尔德的国家标准与技术研究所(NIST)的同事共同开发了一种新的激光芯片，可以用来检测气体泄漏。与此同时，科罗拉多大学博尔德分校的Gregory Rieker名同事开发了一种红外光谱系统，可以在数公里之外探测到少量的甲烷。

天然气勘探面临的挑战

虽然有几种监测气体泄漏的技术，但每种技术都有各自的缺点。一种技术是专用照相机，它只能在很短的距离内探测到甲烷。然而，这种监测过程是劳动密集型的，并没有充分反映大面积甲烷泄漏.另一种技术是通过航空或卫星图像显示几公里内多个大面积的泄漏，但不透露泄漏的细节。使用航空和卫星图像的另一个问题是，它们只能提供单个时间点的快照，而不是连续监测。

目前，NADER和NIST的同事已经开发出一种新型中红外激光光源芯片，可作为气体泄漏检测系统的重要组成部分。中红外光可以被包括甲烷在内的许多有机分子吸收，因此通过分析空气的吸收光谱可以发现这些分子的存在。然而，中红外光谱正面临着宽带光源不足、噪声大、功率大等问题。

为了解决这些缺点，制造了第一个中红外“双频梳子”芯片。为了制造这种激光器，研究人员精心设计了蓝宝石波导上硅的几何结构和化学成分，这种硅只能用于1平方厘米大小的芯片上。

双频梳状激光器是一种低功率激光源，能产生两束相干光束.激光的每一个“梳”都是特定频率的窄峰，分布在很宽的频率范围内，噪音很小。光的光谱特性可以调谐，以便系统可以用来研究不同的分子。

Nader解释说：“激光源可以远距离传输光，因此可以在不直接接触化学样品的情况下进行远程研究。”“由于频率梳是一种稳定的激光源，可以检测少量的化学物质，因此它提高了检测化学品的灵敏度。”

定位泄漏

科罗拉多大学(科罗拉多大学)团队是第一个在博尔德部署中红外双频梳状激光光谱仪的团队。他们的最终计划是建立一个监测系统，在这个系统中，多个激光源可以被战略性地部署在一个天然气生产基地周围，所有的激光源都指向基地中心的一个中红外光谱仪。当系统的检测数据与大气模式相结合时，可根据泄漏气体通过光束路径产生的双频梳状吸收光谱，提供实时气体浓度灵敏度指标。同时，可以根据系统的分布特点确定泄漏的位置。

该研究团队已对他们的探测系统进行了初步测试，研究人员说，相比现有监测天然气的方法，该系统具有显著的优势。Rieker解释道：“我们系统的监测是自动的，因此可实现对某个区域的持续监控。”重要的是，该系统对甲烷和水蒸气微小的浓度变化也很敏感。Rieker补充说：“由于暴风雨开始时，空气中的甲烷会被水蒸气稀释。因此小泄漏中甲烷浓度的变化与潮湿环境下甲烷的变化可能会一样。激光频率梳光谱学使我们能够同时准确地测量水蒸气和甲烷。这使我们可以对空气中的水份进行校正，这对于探测大范围内甲烷含量的微量增加至关重要。”

科罗拉多大学的研究人员计划进行了两次实地测试。第一次测试：在位于离激光源一公里远的地方，模拟了少量、实时变化的甲烷泄漏。该系统检测到每分钟1.6-8克的甲烷泄漏。这种甲烷的释放速率与人类正常呼吸时呼出空气的速度相当。第二次测试：建立可监测有五个潜在泄漏点的天然气生产场地的光束网络。同样，该系统不仅精确地探测出了两个模拟泄漏点，还准确地指出了它们的位置。测试成功后，该团队希望此系统能够很快实现商业化。

科罗拉多大学的研究结果发表在“光学”杂志上，NIST的研究发表在“APL光子学”杂志上。