用激光探測氣體成分，即使最細微的污染物也無法逃脫

研究人員發現了一種利用光聲效應探測空氣中最微小的痕迹的方法。通過探測光與分子結合時發出的聲音，我們能探測出空氣中最細微的成分。

「從許多方面看來，光聲效已經是探測大氣污染的最實際方法。」來自布朗大學的化學系教授Gerald Diebold說。

「但是，當你要探測的分子濃縮成了兆分之幾，氣體的所發出的信號就弱到難以探測。針對這一問題，我們開發了一種新的能夠增強信號的光聲探測技術，有了這項技術，我們可以探測到濃縮到千兆水平的氣體，這創造了我們知識範圍內的記錄。」

圖註：即使氣體分子濃縮到非常細微的級別，這項新技術也能探測到環境污染物等物質。圖自Gerald Diebold/Brown

當氣體、液體和固體把光束吸收並導致其擴散，就會導致光聲效應。這種擴散是一種會導致聲波產生的機械運動。

Alexander Graham Bell在19世紀80年代第一次發現了這一效應。但在激光發明之前，這一發現價值不大。激光所特有的線譜寬度和強大能量能使光聲信號變得足夠強，達到了能被輕易探測到的水平。

光聲探測器的工作原理是：調節激光的波長，用激光快速掃過材料，在激光被分子吸收時實現檢測功能。在一個典型的光聲實驗中，研究人員使用靈敏麥克風足以檢測的頻率來打開並關閉激光束，從而測出聲波所產生的所有聲音。不同的分子吸收光線的頻率不同，因此，通過調節激光的頻率，探測器可以探測出氣體中具體的物質。

例如，為了探測空氣中的氨氣，研究人員可以將激光調節到特定的頻率，使其被氨分子吸收。 接著，通過快速移動取得一份樣本，如果麥克風中也能聽到相應的聲波，那麼就意味著樣本中含有氨氣。

但是，濃縮的目標物質越少，能探測到的信號也就越弱。所以，Diebold教授和同事一起使用了一種非傳統技術增強信號的振幅。

「我們依賴三種不同的共振探測氣體。每種共振都能增加信號的強度。」 Diebold教授說。

除了單一的激光光束以外，Diebold教授及其同事也將兩種光束以一種特定的頻率和角度結合起來。光束的結合創造出了一種稱為「光柵」的兩光交替干擾模式。 當激光頻率合適時，光柵就會以音速在探測細胞中遊走，創造出最大的振幅效應。

第二種共振模式是通過實驗中用到的壓電晶體創建的。壓電晶體可以按照結合起來的激光光束所需要的頻率精確振動，壓力波中微小的壓縮力可以漸漸誘導晶體運動，增強氣體信號的強度。這個過程就類似於人們反覆推動鞦韆從而使其最終實現最大的搖擺幅度。

第三種共振是通過調節腔體的長度實現的。因為晶體是鑲嵌在腔體中的，因此當所有聲波長度中，有一半的波長和腔體的長度匹配，共振就會發生。

由於輸出的是壓電晶體，它能產生與自己的震蕩運動匹配的電壓。只要將晶體輸送到放大器和敏感的電子設備上，就能記錄下聲音信號。

在山東大學，利用光柵法探測氣體成分的實驗也非常成功。那裡的研究人員用了三個月合成了一種能對壓力波產生強烈反應的特殊晶體。

實驗顯示，通過使用上述三種共振法，研究人員能夠探測出千兆分之水平的六氟化硫。

Diebold教授認為這項技術能夠用於探測器開發，開發出來的探測器不僅對濃縮氣體中的微量污染物非常敏感，還能用於探測那些以往因吸光能力弱而無法探測到的分子。

讓Diebold教授感到驚訝的是，由於這項實驗涉及到的頻率達到了幾百千赫之高，電子收集器和外部的聲源都不會對實驗造成干擾。這意味著在不用隔絕外部噪音的情況下，人們可以在開放的腔體中完成實驗。

「如果你身處垃圾填埋池，並試圖探測其中的沼氣，只需手持探測器在室外就能持續監測氣體輸出，並完成探測。」

然而，由於器材的體積太大，這項技術目前還不能在戶外使用。但研究人員稱，戶外使用在概念上是成立的。讓我們拭目以待吧！

蝌蚪五線譜編譯自futurity，譯者 晴空飛燕，轉載須授權

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