用激光“圍剿”大氣污染物

陳子昂 劉玉柱

擊穿大氣污染物！

激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)，別看它名字長，其實并不難懂。

什么是激光

我們在演唱會中，經(jīng)常能看到五顏六色的燈光，有些就是用激光營造的舞臺效果。高速公路上也有一些綠色的“防疲勞激光燈”，在夜間這些激光燈可以起到提高駕駛員的警惕性、防止疲勞駕駛的作用。除此之外，生活中我們還經(jīng)常能見到激光筆、激光打印機等。

? 激光誘導(dǎo)擊穿光譜在大氣探測中發(fā)揮著獨一無二的作用（供圖/作者團隊提供）

激光英文全稱是“Light Amplifi-cation by StimulatedEmission of Radiation”，意思是“輻射的受激發(fā)射光放大”?！癓ASER”是其英文縮寫，音譯為“鐳射”，1964年，按照我國著名科學(xué)家錢學(xué)森的建議改稱“激光”。激光具有單色性與方向性好、能量高等特點，一支小小的激光筆就可以把火柴點燃，因此，為了安全起見絕不能用激光筆對著眼睛照射哦！

什么是光譜

攜帶著極高能量的激光，聚集灼燒樣品后，樣品被激發(fā)至高溫等離子體（高度離子化而整體呈電中性的氣體）狀態(tài)。那么，處于高溫等離子體狀態(tài)的物質(zhì)是憑借什么傳遞信息的呢？答案就是——光譜。

激光營造的舞臺燈光

當(dāng)一束太陽光經(jīng)過三棱鏡折射后，就被分解成了依次排列的紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫7種顏色的光

原子由一個原子核和許多圍繞其高速運轉(zhuǎn)的電子組成

300多年前，英國物理學(xué)家牛頓觀察到，當(dāng)一束太陽光經(jīng)過三棱鏡折射后，就被分解成了依次排列的紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫7種顏色的光。想必同學(xué)們也有類似的體驗：讓陽光通過透明的尺子，墻壁上就會映出彩虹的顏色；灑水車在噴水時，也會出現(xiàn)小小的彩虹……

事實上，我們生活中見到的大多數(shù)光，都是由多種顏色的光混合而成的復(fù)色光，紅光、藍(lán)光等不同顏色的光都有對應(yīng)的波長范圍。

復(fù)色光經(jīng)過色散系統(tǒng)（如棱鏡、光柵）分光后，被色散開的單色光，按波長（或頻率）大小而依次排列的圖案，就是光譜。

光子是怎么產(chǎn)生的？

同樣，物質(zhì)被激發(fā)至高溫等離子體狀態(tài)時，也會發(fā)出不同波長的光子。那么，這里的光子是怎么產(chǎn)生的呢？

我們知道，原子由一個原子核和許多圍繞其高速運轉(zhuǎn)的電子組成。這些電子在能量高低不同的軌道上運行。電子經(jīng)過激發(fā)后，便會從原本的軌道轉(zhuǎn)移到其他軌道上。當(dāng)電子從高能級向低能級躍遷時，根據(jù)能量守恒定律，能級差的能量并沒有消失，而是會以輻射光子的形式釋放出來，這就是物質(zhì)受到光激發(fā)后發(fā)光的原因。

如指紋般獨一無二

事實上，對于不同的原子來說，電子軌道之間能量差是不同的，因此輻射出的光子其波長也各不相同。如同我們每個人的指紋一樣，這也成了每種元素獨一無二的標(biāo)志。

電子躍遷后發(fā)出光子這一過程，對于不同元素而言都是不同的，如同指紋般獨特（供圖/作者團隊提供）

激光誘導(dǎo)擊穿光譜探測大氣環(huán)境的場景示意圖（供圖/作者團隊提供）

被檢測物受到激光照射后，會發(fā)出波長不同的光子；不同波長的光子組成了光譜，研究人員只要在光譜中找到光子對應(yīng)的位置和強度，就能確定被檢測的是什么物質(zhì)。用激光將樣品激發(fā)成等離子體后，所發(fā)出的光子就會被光譜儀探頭收集，并由光譜儀獲取光譜，再在電腦上實時地顯示出來。通過對光譜特征的分析，我們就可以確定樣品的元素成分和濃度啦！這就是激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)能成為大氣環(huán)境監(jiān)測的好幫手的原理。

大氣環(huán)境監(jiān)測的好幫手

讓我們把目光重新投向大氣環(huán)境探測領(lǐng)域。當(dāng)今大氣污染物的種類紛繁復(fù)雜，例如大氣顆粒物、碳排放、揮發(fā)性有機化合物等，這些大氣污染物會誘發(fā)酸雨、霧霾、光污染等環(huán)境問題。面對種類繁多的環(huán)境問題，激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)能發(fā)揮什么作用呢？

監(jiān)測大氣顆粒物

在空氣質(zhì)量預(yù)報中，我們經(jīng)常能見到“PM2.5”“PM10”兩個指標(biāo)?！癙M”來自顆粒物（Particulate Matter）的英文首字母，其后的數(shù)值則代表了對應(yīng)的顆粒物粒徑。雖然大氣顆粒物只占大氣成分中的很小一部分，但它們會直接對人類的呼吸系統(tǒng)等造成傷害。運用激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)，我們可以實現(xiàn)對紙張、秸稈、香煙與蚊香等我們生活中常見的物品燃燒所產(chǎn)生的煙霧的探測。

監(jiān)測碳排放

碳達(dá)峰、碳中和、碳循環(huán)、低碳生活……這些我們耳熟能詳?shù)脑~匯里，都能見到“碳”的身影。自工業(yè)革命以來，人類大量使用化石能源，向大氣排放了大量二氧化碳，導(dǎo)致全球變暖。激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)可以更高效、便捷地追蹤碳的“足跡”，為碳濃度高效測量和碳同位素識別提供新思路。

監(jiān)測揮發(fā)性有機化合物

無論是馬路上汽車排放的尾氣，還是工廠里煙囪冒出的黑煙，都藏著肉眼看不見的污染“元兇”——揮發(fā)性有機化合物，英文為Volatile Organic Compounds。

用于大氣環(huán)境成分探測的激光誘導(dǎo)擊穿光譜系統(tǒng)（供圖/作者團隊提供）

利用激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)對揮發(fā)性有機物進行探測后，研究人員就能得到這種物質(zhì)對應(yīng)的光譜，從而確定該種揮發(fā)性有機物的成分和濃度。

簡單的原理、并不復(fù)雜的裝置設(shè)計……在未來，無論是大氣稀薄的萬米高空、還是昏暗幽深的大洋深處，或是蟲蛇橫行的熱帶雨林、人跡罕至的沙漠之?！紝⑹羌す庹T導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)大顯身手的舞臺。

使用激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)探測大氣顆粒物示意圖（供圖/作者團隊提供）