监测系统，版权：Jennifer Lauren Lee/NIST
一份报告披露，研究人员发明一种实验仪器，结合精密激光光谱和移动机载反射器来绘制气体浓度，这可以为检测危险废气和更好的大气建模提供更安全的方法。
美国科罗拉多州博尔德国家标准与技术研究所（NIST）的物理化学家凯文·科塞尔（Kevin Cossel）和项目技术主管Kevin Cossel说：“这些测量对于了解气体如何混合和扩散到大气中是至关重要的。将来我们亦希望能够利用该系统，协助检测及量化有害气体。”为了测量气体，仪器使用一种复杂的多频光源（称为激光梳），发射对对人眼安全的激光。激光器位于与望远镜相连的可调平台上。第二个组件是一种反射镜，称为后向反射器，其反射方向正好沿着它的方向反射，使得可以将通过一部分大气直射的光直接重定向到仪器进行分析。
直到最近，该团队必须将反光镜放在距离激光视线的任何体积的气体被远距离探测的地方。手动设置镜子将系统限制在沿着单一露天通道测量气体浓度。
近来，研究人员将后向反射器安装在多旋翼小型遥控无人机上，使用直升机式螺旋桨来悬停和引导。使用遥控器，科学家们可以随身携带镜面无人驾驶飞机，并将其悬停，以任意角度接收穿过气体羽流的激光闪光。
宾夕法尼亚州立大学大学公园大气与气候科学教授肯·戴维斯（Ken Davis）对使用该系统绘制“来自空间和时间复杂的来源的痕量气体”的可能性表达了兴奋。
每个化学元素和分子以独特的方式与光相互作用，吸收特定波长的图形，这是该仪器的基本原理。为了确定气体的组成，研究人员通过气体照射已知波长（或频率）和亮度的激光，并测量其在选定波长处吸收多少波长激光梳的50,000个波长聚集在1.6微米左右，近红外波长很适合于测量水蒸气，二氧化碳和甲烷的光谱特征。
在7月20日在Optica报道的一项实验中，多架飞机在一个地点停留了几分钟，然后转移到新的测量点。研究人员用望远镜瞄准后向反射镜，在距离一公里远的地方进行了气体测量。该系统测量了二氧化碳的精度为0.6ppm，而甲烷为ppb，与以前的固定实验相当。根据研究文章，该团队计划在多机器上使用精确的GPS接收机，以制作具有高分辨率的大气气体浓度的三维图。
因为系统使用这种“细齿”梳，它可以同时精确地测量其所有靶分子的光谱特征。这是“仪器的最大优势之一”。区分气体的能力也意味着系统可以精确测量每种气体，而不用担心来自其他（潜在的意外）气体的干扰或混乱。
更高的分辨率可以更精确地测量气体浓度，就像摄像机在其传感器中具有更多像素的一样，可以捕捉到场景或物体的更多细节。
后向反射器安装的多飞机是从距离固定激光梳发射器和望远镜1公里的平台发射的，其位置由红色箭头指示。版权：Michael Cermak / NIST
由于该系统的高灵敏度和地理空间分辨率，其可用于绘制由于油气储存设施泄漏造成甲烷排放的微小变化，观察不同高度的空气中的光化学变化，或扫描有害气体或化学物质的区域。
该团队希望通过增加多飞机的飞行时间，可以探测不同气氛气体的更宽的紫外线波长范围来改进仪器系统。NIST的光纤和光纤应用研究小组目前正在开发一种紫外激光束。
研究团队认为，在短期内，首先要做的是使系统具有更友好的用户体验，并开始实际现场测量，保证系统的正常运行。
论文链接：Optica
参考：Eos.org
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