近日，中国科学院合肥物质院安光所方勇华研究员团队研制了一套双差分球—管耦合光声—散射系统，实现了气溶胶在光谱波段450 纳米和532 纳米处吸收与散射参数的时空同步测量。相关研究成果以“Spatiotemporally synchronized dual-Wavelength measurement of aerosol optical properties using a dual-differential sphere–tube coupled photoacoustic–scattering system”为题发表于Photoacoustics。

大气气溶胶通过吸收和散射太阳辐射影响地球能量平衡，其吸收系数、散射系数及单次散射反照率等参数是评估气溶胶辐射效应的重要依据。传统吸收—散射联用系统通常采用独立采样支路和分离测量腔体，容易受到颗粒传输损失、时间响应错位以及温湿度微环境差异的影响，给多参数同步反演带来不确定性。如何在同一采样路径和共同测量体积内同步获取多波长吸收与散射信息，是气溶胶光学仪器集成化发展的重要方向。

针对传统分体式系统中吸收与散射通道难以保持时空同源的问题，团队设计了多功能双差分球—管耦合气体池。两侧高反射率积分球既用于收集多方向散射光子，又作为光声系统的声学缓冲腔，并共同构成低频差分亥姆霍兹共振器；中央声学管则形成高频差分二阶纵向驻波模态。450 纳米和532 纳米激光分别调制于2572 赫兹和169 赫兹，通过频分复用和自主研制的FPGA数字锁相放大器进行同步解调，从而在单一进样路径和共同测量体积内获取双波长吸收与散射系数，并进一步计算AAE、SAE和SSA等光学参数。

为实现四个测量通道的定量转换，团队采用NO₂标准气体分别标定450 纳米和532纳米光声吸收通道，并利用N₂/CO₂两点瑞利散射方法标定两个散射通道。在1 s积分时间和3σ判据下，532 纳米吸收与散射通道的检测限分别达到1.2 Mm⁻¹和1.32 Mm⁻¹。有限元分析与实验扫频进一步验证了两种差分声学模态在空间分布和共振频率上的分离特征，为双波长光声信号的同步激励和独立解调提供了声学基础。

团队还开展了强散射水雾、受控燃烧气溶胶和外场观测实验。水雾实验中，散射系数显著升高时，532 纳米光声吸收通道未出现可辨识的同步响应，表明系统具有一定的通道隔离能力；香烟阴燃和脱脂棉明火燃烧产生的气溶胶呈现不同的双波长吸收响应和两点AAE特征，展示了系统分辨相对光谱差异的能力；在合肥科学岛开展的外场观测则验证了系统连续获取双波长吸收、散射及SSA等参数的可行性。

该研究通过积分球光学收集、双差分声学共振和频分同步解调的协同设计，为气溶胶吸收—散射多参数一体化测量提供了新的系统实现方案，可为大气气溶胶辐射效应研究、源排放气溶胶光学特征表征和环境连续监测提供技术支撑。

特任副研究员李振钢为论文第一作者，方勇华研究员为论文通讯作者。本研究工作获得安徽省自然科学青年基金等的支持。

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图1. 双差分球—管耦合光声—散射系统核心结构

图2. 双差分声学模态有限元仿真结果：（a）声学管共振模态；（b）积分球亥姆霍兹共振模态

图3. 系统代表性验证结果：（a）强散射水雾下的通道响应；（b）两类受控燃烧气溶胶的双波长吸收特征