用激光“围剿”大气污染物

陈子昂 刘玉柱

击穿大气污染物！

激光诱导击穿光谱技术，别看它名字长，其实并不难懂。

什么是激光

我们在演唱会中，经常能看到五颜六色的灯光，有些就是用激光营造的舞台效果。高速公路上也有一些绿色的“防疲劳激光灯”，在夜间这些激光灯可以起到提高驾驶员的警惕性、防止疲劳驾驶的作用。除此之外，生活中我们还经常能见到激光笔、激光打印机等。

? 激光诱导击穿光谱在大气探测中发挥着独一无二的作用（供图/作者团队提供）

激光英文全称是“Light Amplifi-cation by StimulatedEmission of Radiation”，意思是“辐射的受激发射光放大”。“LASER”是其英文缩写，音译为“镭射”，1964年，按照我国著名科学家钱学森的建议改称“激光”。激光具有单色性与方向性好、能量高等特点，一支小小的激光笔就可以把火柴点燃，因此，为了安全起见绝不能用激光笔对着眼睛照射哦！

什么是光谱

携带着极高能量的激光，聚集灼烧样品后，样品被激发至高温等离子体（高度离子化而整体呈电中性的气体）状态。那么，处于高温等离子体状态的物质是凭借什么传递信息的呢？答案就是——光谱。

激光营造的舞台灯光

当一束太阳光经过三棱镜折射后，就被分解成了依次排列的红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫7种颜色的光

原子由一个原子核和许多围绕其高速运转的电子组成

300多年前，英国物理学家牛顿观察到，当一束太阳光经过三棱镜折射后，就被分解成了依次排列的红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫7种颜色的光。想必同学们也有类似的体验：让阳光通过透明的尺子，墙壁上就会映出彩虹的颜色；洒水车在喷水时，也会出现小小的彩虹……

事实上，我们生活中见到的大多数光，都是由多种颜色的光混合而成的复色光，红光、蓝光等不同颜色的光都有对应的波长范围。

复色光经过色散系统（如棱镜、光栅）分光后，被色散开的单色光，按波长（或频率）大小而依次排列的图案，就是光谱。

光子是怎么产生的？

同样，物质被激发至高温等离子体状态时，也会发出不同波长的光子。那么，这里的光子是怎么产生的呢？

我们知道，原子由一个原子核和许多围绕其高速运转的电子组成。这些电子在能量高低不同的轨道上运行。电子经过激发后，便会从原本的轨道转移到其他轨道上。当电子从高能级向低能级跃迁时，根据能量守恒定律，能级差的能量并没有消失，而是会以辐射光子的形式释放出来，这就是物质受到光激发后发光的原因。

如指纹般独一无二

事实上，对于不同的原子来说，电子轨道之间能量差是不同的，因此辐射出的光子其波长也各不相同。如同我们每个人的指纹一样，这也成了每种元素独一无二的标志。

电子跃迁后发出光子这一过程，对于不同元素而言都是不同的，如同指纹般独特（供图/作者团队提供）

激光诱导击穿光谱探测大气环境的场景示意图（供图/作者团队提供）

被检测物受到激光照射后，会发出波长不同的光子；不同波长的光子组成了光谱，研究人员只要在光谱中找到光子对应的位置和强度，就能确定被检测的是什么物質。用激光将样品激发成等离子体后，所发出的光子就会被光谱仪探头收集，并由光谱仪获取光谱，再在电脑上实时地显示出来。通过对光谱特征的分析，我们就可以确定样品的元素成分和浓度啦！这就是激光诱导击穿光谱技术能成为大气环境监测的好帮手的原理。

大气环境监测的好帮手

让我们把目光重新投向大气环境探测领域。当今大气污染物的种类纷繁复杂，例如大气颗粒物、碳排放、挥发性有机化合物等，这些大气污染物会诱发酸雨、雾霾、光污染等环境问题。面对种类繁多的环境问题，激光诱导击穿光谱技术能发挥什么作用呢？

监测大气颗粒物

在空气质量预报中，我们经常能见到“PM2.5”“PM10”两个指标。“PM”来自颗粒物（Particulate Matter）的英文首字母，其后的数值则代表了对应的颗粒物粒径。虽然大气颗粒物只占大气成分中的很小一部分，但它们会直接对人类的呼吸系统等造成伤害。运用激光诱导击穿光谱技术，我们可以实现对纸张、秸秆、香烟与蚊香等我们生活中常见的物品燃烧所产生的烟雾的探测。

监测碳排放

碳达峰、碳中和、碳循环、低碳生活……这些我们耳熟能详的词汇里，都能见到“碳”的身影。自工业革命以来，人类大量使用化石能源，向大气排放了大量二氧化碳，导致全球变暖。激光诱导击穿光谱技术可以更高效、便捷地追踪碳的“足迹”，为碳浓度高效测量和碳同位素识别提供新思路。

监测挥发性有机化合物

无论是马路上汽车排放的尾气，还是工厂里烟囱冒出的黑烟，都藏着肉眼看不见的污染“元凶”——挥发性有机化合物，英文为Volatile Organic Compounds。

用于大气环境成分探测的激光诱导击穿光谱系统（供图/作者团队提供）

利用激光诱导击穿光谱技术对挥发性有机物进行探测后，研究人员就能得到这种物质对应的光谱，从而确定该种挥发性有机物的成分和浓度。

简单的原理、并不复杂的装置设计……在未来，无论是大气稀薄的万米高空、还是昏暗幽深的大洋深处，或是虫蛇横行的热带雨林、人迹罕至的沙漠之海……都将是激光诱导击穿光谱技术大显身手的舞台。

使用激光诱导击穿光谱技术探测大气颗粒物示意图（供图/作者团队提供）