現(xiàn)在可以在弱光條件下進(jìn)行精密光譜分析

在最近發(fā)表在《自然》雜志上的一項(xiàng)研究中，德國(guó)柏林馬克斯·玻恩研究所和加興馬克斯·普朗克量子光學(xué)研究所的研究人員推出了一種用光破譯物質(zhì)特性的新技術(shù)，該技術(shù)可以同時(shí)檢測(cè)和精確具有高化學(xué)選擇性地量化許多物質(zhì)。

他們的技術(shù)在非常微弱的光水平下詢(xún)問(wèn)紫外光譜區(qū)域的原子和分子。這些實(shí)驗(yàn)使用兩個(gè)光學(xué)頻率梳和光子計(jì)數(shù)器，為在弱光條件下進(jìn)行雙梳光譜學(xué)開(kāi)辟了令人興奮的前景，并為光子級(jí)診斷的新應(yīng)用(例如單個(gè)原子或分子的精密光譜學(xué))鋪平了道路用于地球大氣層或太空望遠(yuǎn)鏡中的物理和紫外光化學(xué)的基本測(cè)試。

紫外光譜學(xué)的進(jìn)展

紫外光譜在原子中的電子躍遷和分子中的電子振動(dòng)躍遷的研究中起著至關(guān)重要的作用。這些研究對(duì)于基礎(chǔ)物理學(xué)、量子電動(dòng)力學(xué)理論、基本常數(shù)的確定、精密測(cè)量、光學(xué)時(shí)鐘、支持大氣化學(xué)和天體物理學(xué)的高分辨率光譜以及強(qiáng)場(chǎng)物理學(xué)的測(cè)試至關(guān)重要。

Nathalie Picqué 團(tuán)隊(duì)的科學(xué)家現(xiàn)已在紫外光譜領(lǐng)域取得了重大飛躍，成功地在紫外光譜范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了高分辨率線性吸收雙梳光譜。這一突破性的成就為在弱光條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)開(kāi)辟了新的可能性，為各個(gè)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的新穎應(yīng)用鋪平了道路。

雙梳光譜的原理和挑戰(zhàn)

雙梳光譜是一種在寬光譜帶寬上實(shí)現(xiàn)精確光譜的強(qiáng)大技術(shù)，主要用于氣相小分子的紅外線性吸收。它依賴(lài)于測(cè)量重復(fù)頻率略有不同的兩個(gè)頻率梳之間的時(shí)間相關(guān)干擾。頻率梳是均勻分布、相位相干的激光線的光譜，其作用就像一把尺子，可以極其精確地測(cè)量光的頻率。雙梳技術(shù)不受傳統(tǒng)光譜儀相關(guān)幾何限制的影響，并且在高精度和準(zhǔn)確度方面具有巨大潛力。

然而，雙梳光譜通常需要強(qiáng)激光束，使其不太適合低光水平至關(guān)重要的場(chǎng)景。該團(tuán)隊(duì)現(xiàn)已通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，雙梳光譜可以在光線不足的條件下有效使用，其功率水平比通常使用的功率水平弱一百萬(wàn)倍以上。

這一突破是通過(guò)使用兩種不同的實(shí)驗(yàn)裝置和不同類(lèi)型的頻率梳發(fā)生器實(shí)現(xiàn)的。該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種光子級(jí)干涉儀，可以準(zhǔn)確記錄光子計(jì)數(shù)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，顯示基本極限的信噪比。這一成就凸顯了實(shí)驗(yàn)中可用光的最佳利用，并為雙梳光譜在低光水平必不可少的挑戰(zhàn)性場(chǎng)景中開(kāi)辟了前景。

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