蓝紫波段腔增强型光声光谱高灵敏度、高精度测量气溶胶光吸收特性的方法研究

Aerosol is one of important trace species constituent in the atmosphere, which have a significant effect on the Earth's radiation balance, local or global climate and environmental chemistry. The magnitude of aerosol effects on climate or environmental chemistry strongly depends on the characteristics of light absorption by aerosols. However, currently, aerosol light absorption measurements still show lacking of high sensitivity, large uncertainties, mainly because of the lack of appropriate detection methodology. The photoacoustic (PA) technique is a direct method to measure light absorption, which is very suitable for measuring light absorption as it is free from the influence of light scatter. As a result, the present proposal is to carry out the research for high sensitivity, accuracy measurement of aerosol light absorption with photoacoustic spectroscopy. The purpose of the proposal is to solve the problems that current aerosol light absorption measurements still show large uncertainties，without enough high sensitivity. As a result, our proposal will committed to improve the accuracy of aerosol light absorption measurements and offer a new method for investigation the infulence of aerosol on climate and environmental chemistry.

气溶胶是大气中比较重要的微量物质成分，在影响地球辐射能量平衡、气候变化和大气环境化学中起着重要的作用。气溶胶对气候、环境的作用程度强烈依赖于气溶胶的光吸收特性，然而，由于缺乏合适的技术方法，目前对气溶胶光吸收特性的测量灵敏度不够高且偏差较大，尤其在蓝紫波段受到大气分子NO2吸收的干扰。 光声光谱是一种直接测量吸收的方法，不受光散射等因素的影响，很适合气溶胶光吸收的测量。为此，本申请拟通过开展基于腔增强型光声光谱实现蓝紫波段高灵敏度、高精度测量气溶胶光吸收的方法研究，解决光声光谱测量蓝紫波段气溶胶光吸收时测量灵敏度、准确度不高、受NO2分子吸收干扰等问题。为研究蓝紫波段气溶胶的光吸收特性对气候、环境的影响提供准确、科学的测量手段。

本项目开展基于光声光谱在紫外可见光波段同时测量气溶胶光学吸收特性及痕量探测NO2的新方法研究。一般情况下，激光雷达、腔衰荡/腔增强、积分球、差分光学吸收光谱技术等，只能测量气溶胶的光学散射或总的消光特性（消光=散射+吸收）。而光声光谱技术由于其独有的特点能够测量气溶胶的光学吸收特性，而且不受光散射问题的影响。另外，该技术具还有体积小、易于集成化等特点，便于发展成为便携式的痕量气体传感器，也适合应用于对体积和功耗有要求的上层大气（需要机载、探空球、无人机等平台介入）参数测量及相关科学问题研究。便携式、高灵敏度的NO2浓度测量及气溶胶光学吸收特性光声光谱仪对研究大气环境变化、大气光化学反应机理具有非常有意义的作用，该技术方法可用于地面、垂直大气层NO2、气溶胶测量，开展与NO2有关的光物理光化学过程，NO2及其光解产物与气溶胶之间的反应动力学研究。.具体执行本项目时，主要开展蓝紫光波段高灵敏度光声光谱对气溶胶光吸收特性的技术和方法研究，主要包括以下几个方面： .1) 气溶胶的光吸收特性准确测量研究； .2) 用于气溶胶吸收测量的光声光谱系统标定方法研究；.3) 基于高功率、蓝紫光激光二极管的光声光谱探测NO2的方法研究； .4) 实际中的大气气溶胶吸收测量研究。 .通过三年的研究工作，研究按照初步计划执行，研究工作覆盖了上述四个方面的预期研究内容。对申请书里的提供的初始研究方案，结合实际情况做了相应改进。通过搭建测量气溶胶吸收的光声光谱测量仪器装置，开展了基于双波长（405nm， 450nm）光声光谱测量气溶胶吸收的研究，通过实验室制备的气溶胶样品，对气溶胶的吸收特性进行了理论和实验的观测研究，并且，开展了大气气溶胶吸收的连续观测研究。同时采用基于蓝光激光二极管的声光谱技术实现了对NO2的高灵敏度探测，探测灵敏度达到了0.2 ppb。本项目不仅完成了预期研究内容，同时在研究过程中优化改进以往测量技术方法，着眼于高灵敏度、长期稳定性、实时探测的需要，提出了激光功率增强型（腔增强型、多通池）光声光谱技术，为后续开展气溶胶吸收的波长依赖特性研究提供了技术手段。与项目相关的学术论文累计发表3篇，均为SCI收录期刊；国际会议报告及会议论文3篇。