【Spectral Combs】DARPA光频梳技术在国防和民用领域取得突破

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在过去的几十年里，美国国防高级研究计划局（DARPA）国防科学办公室（DSO）开创的革命性激光技术使空军研究人员能够精确地描述下一代喷气发动机的燃烧元素，并为商业天然气和石油开发商提供连续、区域规模的监测，以快速检测甲烷的泄漏。

DARPA“从紫外到太赫兹的光频梳”(SCOUT)项目于2014年开始，并于2020年结束，该项目旨在开发紧凑、高精度的光学光谱设备，以实现对复杂环境中多种微量化学物种的快速检测。在现实世界中区分感兴趣的化学品是非常困难的。这是由于大量的化学干扰因素（空气中非检测目标的其他分子）使得许多传统的光谱能力大打折扣。SCOUT项目研究人员负责扩展超出现有能力的频率范围，缩小其尺寸，提高性能并缩短获取数据所需的时间，以便这些设备能够从笨重、脆弱的实验室系统过渡到紧凑、强健的设备，以用于现场光谱应用。

SCOUT项目所追求的技术是以光频梳为基础的，它由数千条离散、等距的频率线组成，类似于发梳上极细的齿。SCOUT项目研究人员在基于光频梳方面取得了许多基本进展，包括开发新的材料学、物理学和设备几何学。科罗拉多大学博尔德分校的一个团队进一步利用他们基于光频梳的系统，建立了一个双光频梳装置，并最终在国防和民用领域进行了测试。近几年来，它正从DARPA过渡到其他政府活动和私营部门，以便进一步开发和商业化。

DARPA国防科学办公室管理SCOUT项目的项目经理安妮·费舍尔（Anne Fischer）表示：“SCOUT建立在DARPA‘超快激光科学与工程’（PULSE）项目以前所做的基础工作上，该项目将光频梳技术加固，以便在实验室外使用。SCOUT的成果已经在军队、其他联邦机构和商业行业的应用中得到了回报。例如，美国空军研究实验室（AFRL）正在使用SCOUT技术对复杂的混合物进行高速化学光谱分析，如冲压式喷气发动机中的燃烧材料，其精确度在以前是不可能实现的。”

科罗拉多大学和空军研究实验室的团队在双模式冲压发动机地面测试控制室。改良后的双光频梳系统位于前台中央，正在向位于控制室窗户外的测试单元发送光线。

空军研究实验室将光频梳系统描述为激光技术领域的一次飞跃，现在正资助前SCOUT团队进一步发展该技术以满足更多的诊断需求。

在高级研究计划局-能源分部（ARPA-E）的后续资助下，并与美国国家标准与技术研究所（NIST）合作，科罗拉多大学博尔德分校的SCOUT研究人员成立了一家小公司——LongPath Technologies（www.longpathtech.com），以利用光频梳的精确长距离甲烷检测能力进行商业化。

对此，安妮·费舍尔表示：“LongPath公司现在向石油和天然气公司提供商业产品，实时检测甲烷泄漏，通过减少温室气体排放保护环境，并提高能源生产过程的整体效率。技术的商业化也推动了价格的下降，使国防部购买这些设备用于超安全通信、高精度导航和致命的化学和生物制剂的远距离探测等国防应用时更具成本效益。”

LongPath公司最近从ARPA-E获得了500万美元的额外资金，以支持扩大其基于SCOUT技术的油气田甲烷排放连续监测的方法。最近对一个用于识别甲烷泄漏的LongPath系统进行了测试，在6个月的时间内减少了4300万立方英尺的甲烷排放。在未来的一年里，LongPath公司打算再部署25个系统，以便对美国西南部二叠纪盆地600多平方英里的天然气排放进行实时定位和测算。这将是石油和天然气行业最大的连续排放监测网络，预计将使该地区的石油和天然气生产排放减少60-80%。

LongPath Technologies公司的双光频梳排放检测系统安装在俄克拉荷马州的一个油气生产领域。该系统正在连续监测17.5平方英里区域内的20个复杂的多井设施。

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