国立产业技术综合研究所［会长：中钵良二］（以下简称“AIST”）物理测量标准研究部[研究部主任 Yasuhiro Nakamura] 频率测量研究小组 Yukiko Shimizu，首席研究员，Hajime Inaba，研究小组组长，光com超短光脉冲激光器
Hikari Com 是什么？频谱呈等频率间隔的梳状排列，由于频率间隔的精确性，用于超高精度频率测量和长度（波长）测量。另一方面，气体分子以特定于分子种类的频率吸收光，并且吸收量与气体分子的温度相关。这次，我们将使用两个光梳双梳光谱我们开发了一项新技术，利用技术测量气体分子的吸收光谱，测量气体的温度。
利用该技术，我们测量并分析了乙炔气体在以15μm为中心的波长带内的光学吸收光谱，发现可以以±1℃的精度测量温度。该技术还可以应用于含有多种分子种类的气体（混合气体），并有望用于测量温度，这是现有技术难以做到的，例如通过观察燃烧气体中每种分子种类的温度变化。
该技术的详细信息将于 2017 年 8 月 24 日在京王广场酒店（东京新宿区）举行的第 24 届国际光学委员会大会（ICO-24）上公布。
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| 使用“光梳”进行温度测量的概念图 |
汽车发动机内，燃料、空气、水蒸气等多种气体共存，进行燃烧。如果我们能够测量这些气体的温度及其变化，我们有望推进详细燃烧机制的阐明，并为旨在提高燃料效率的技术开发做出贡献。目前测量气体温度采用光纤温度计和辐射温度计，但实际应用中，大多数测量精度在10摄氏度左右，而且还存在适用温度范围限制等问题。
AIST使用光梳建立频率和长度（波长）的测量标准，并将这些标准提供给业界，并致力于研究和开发利用光梳的新测量技术。特别是，产业技术研究院在世界上率先实现了宽带双梳光谱技术，该技术使用两个光梳装置，以非常轻微的频率偏移相互干扰来进行光谱测量，该技术已经取得了有效检测和识别气体等成果（2015 年 7 月 9 日 AIST 新闻稿）。
这次，我们致力于开发一种利用双梳光谱技术测量气体温度的技术。
这项研究和开发得到了日本学术振兴会科学研究资助金（C）“使用双梳光谱法的非平衡气体混合物温度测量技术的开发”（2016财年-2016财年）的支持。
气体分子以该类型特有的频率（波长）吸收光。此外，已知吸收量与温度相关。因此，通过详细测量气体分子吸收的光的频率和光量，可以识别分子种类并测量温度。
这次，我们使用双梳光谱测量了乙炔分子在15 µm左右波长（频率范围从194 THz到198 THz）的吸收光谱（图1）。该区域乙炔分子的吸收光谱由窄线性吸收组成，如图 1 所示，但通过使用双梳光谱，我们能够在一次测量中获得许多这样的吸收光谱。此外，在根据测量的吸收光谱确定温度时，采用了新设计的分析方法，其中使用基于量子力学的理论公式进行批量分析。通过分析，确定乙炔分子的温度为23℃，误差在±1℃以内。图1(b)是图1(a)左上部分的放大图，作为参考，蓝线表示从23℃偏移±1℃得到的理论曲线。黑线的峰值是实际测量的结果，与 23°C 时的理论曲线（红线）吻合良好。另外，±1℃的精度可以从理论曲线（蓝线）偏移±1℃的范围内得到确认。此外，当使用电阻温度计测量含有乙炔分子的玻璃池的温度时，其温度为23℃，这非常吻合。
过去已经提出了利用吸收光谱的温度测量方法，但在每种情况下都难以在短时间内精确测量许多吸收线，并且温度是根据一或两个吸收线来确定的。吸收线很容易受到温度以外的因素的影响，并且很难消除这些影响，从而难以高精度地确定温度。本次采用双梳光谱技术的温度测量，利用单次测量获得的50条吸收线的强度进行分析，减少了温度以外的因素对吸收量的影响，提高了温度测量的精度。
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图1(a)近室温下乙炔气体分子的测量结果（黑色）和分析结果（红色）
(b) 测量结果（黑色）、23 °C 时的理论曲线（红色）、理论曲线从 23 °C 偏移 ±1 °C（蓝色）
横轴上的 196 THz 频率对应于大约 153 µm 的波长。 |
该温度测量中使用的双梳光谱技术能够在短时间内以高分辨率测量10 µm至19 µm（频率约为158 THz至300 THz）的宽波长范围。因此，即使在水（138μm、187μm附近）、二氧化碳（144μm附近等）、甲烷（167μm附近）、乙炔（104μm、152μm附近）等多种气体的混合物中，也可以同时精确地测量大范围内存在的每种气体分子的吸收光谱。通过对每种分子进行分析，人们认为可以观察每种分子种类的温度及其在燃烧气体点燃后的变化，这在传统技术中是不可能的。
今后，我们将致力于同时测量混合气体中多种气体分子温度的示范实验。此外，通过使设备小型化并改进数据采集和分析技术，我们的目标是将其商业化为可用于工业环境的实时温度测量系统。