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本文的工作主要分为两部分:利用非相干宽带腔增强吸收光谱技术测量实际大气中的NO2、HONO分子和利用激光吸收光谱技术测量水的同位素的丰度。
氮氧化物(NO和NO2)在大气环境化学中起着重要作用,促进了大气氧化过程。亚硝酸(HONO)是OH自由基的产生源并对臭氧和光化学烟雾的形成具有重要的促进作用。由于NO2和HONO在紫外和可见波段有着很强的特征吸收,因此在实际大气中的痕量探测中通常选择在紫外和可见波段如在差分吸收光谱技术(DOAS)中。但是它们在大气中的浓度非常低,因而要求系统具有较高的探测灵敏度。提高探测灵敏度最简单也是最有效的方法就是提高有效吸收程长。DOAS一般使用了大约1km左右的实际光学程长因而具有很高的灵敏度,但是DOAS只能用于监测大尺度污染物浓度变化,对小尺度如本地的源和和汇的影响不能覆盖到。这里我们采用了将紫外和可见波段的宽带光源和光学谐振腔结合的技术即非相干宽带腔增强吸收光谱技术。光学谐振腔典型的长度为1m,由两片高反射率镜片组成,镜片反射率在0.995～0.99999之间,因此光在由于损耗消失之前至少在镜片之间反射了几百次到几千次,从而经过的有效路径长度为几百米到几公里。我们发展了使用蓝光LED作光源的非相干宽带腔增强吸收光谱来探测实验室空气中的NO2,同时也探测到了空气中的氧气聚合物的吸收。我们首次应用Allan方差于宽带腔增强吸收光谱测量系统来获得系统的稳定时间(100s),对应的系统最佳平均次数(4000次)。在系统的稳定时间下NO2的最小探测灵敏度为2.2ppbv。探测大气中的HONO采用的是开放程腔增强吸收光谱测量系统,我们使用UV-LED作光源,在由Allan方差获得的最佳平均时间90s内,HONO的探测灵敏度为430pptv。
水(气相或液相)的稳定同位素可作为示踪剂来研究水文循环,气候变化,生态过程和古气候档案以及生物医学。稳定同位素丰度的测量一直都是依靠使用同位素比值质谱仪(IRMS)。但是由于水分子的自然属性,水样品不能直接使用IRMS测量。对于水的同位素分析,必须通过化学方法将水转化成H2和CO2,2H和18O同位素的比值通过测量相应的分子得到。此外,IRMS方法很昂贵,维护成本很高,设备庞大笨重,而且需要经过培训的人来操作。这就限制了只能在实验室使用IRMS设备,而不能应用于场研究。我们使用2.73μm的DFB激光器结合20m有效程长的多通池同时测量水中的D/H,18O/16O and17O/16O同位素比值,使用傅立叶滤波技术来抑制光谱基线中的振荡结构从而使得获得的同位素比值的标准偏差最高降低了3倍。我们将Kalman滤波技术首次应用于同位素比值的测量中,在1s的测量时间内,测量精度为1-σ标准偏差0.83‰(δ18O),0.57‰(δ17O),和0.91‰(δ2H)。