美国国家标准与技术研究院(National Institute of Standards and Technology,NIST)的科学家们开发出了一种基于激光的新技术,可以极大地提高我们分析包括温室气体在内的各种材料和气体的能力。这种新方法被称为 “自由形式双梳光谱”,它为分析空气和其他材料中的物质提供了一种更快、更灵活、更灵敏的方法。这一研究成果以“Free-form dual-comb spectroscopy for compressive sensing and imaging”发表在Nature Photonics期刊上。
研究人员证明,他们基于实验室的系统可以检测单一气体,在本例中是强效温室气体甲烷,其检测灵敏度是传统双梳系统的22倍。这一进展有朝一日可以帮助识别可能被忽视的小规模泄漏或排放,从而为应对气候变化提供潜在帮助。
图源:R.Jacobson/NIST
双梳光谱法技术的进步
光谱学是一项复杂的技术,科学家们可以通过观测光与物质的相互作用来识别和分析各种材料。正如三棱镜能将白光分解成彩虹一样,光谱学通过分解穿过或来自某种物质的光来揭示其独特的“指纹”。这些光学指纹提供了关于材料性质与成分的关键信息。
NIST的研究人员通过激光技术的创新,大幅改进了传统的双梳光谱法。双梳光谱法是一种高分辨率的光谱学技术,能够同时分析多种光的波长,提供细致入微的光谱数据。新的激光测量技术改进了旧的方法,使科学家能够以极高的精度控制激光脉冲时序,从而能够专注于光谱中最具信息量的部分,忽略那些不能提供有用信息的区域。这种精准控制大大提高了检测效率,使得物质分析变得更为快速且灵敏。
这种新方法有多种用途。例如,研究人员可以利用它快速生成空间中气体分布的图像,甚至在不知道具体气体种类的情况下,通过一种称为“压缩采样”的智能化测量方式来识别物质。这一方法的效率比传统光谱学技术高出10~100倍,使得复杂环境下的气体检测变得更加高效。
可视化气体羽流:实时监测气体泄漏
这一技术能够快速生成气体羽流的详细图像。在这项研究中,研究人员成功地创建了甲烷羽流的实时影像。甲烷作为一种强效温室气体,对气候影响巨大。因此,能快速、精确地检测和定位甲烷泄漏,对于环境保护与空气质量改善具有重要意义。
通过自由形式双梳光谱,研究人员制作了一系列二维甲烷羽流的视频。暗色区域代表甲烷浓度极低,亮色区域则表明甲烷浓度较高。由于这一技术能够快速捕捉气体的实时变化,科学家可以观察到甲烷云的形成、扩散和旋转过程。这样的实时成像技术以前是不可能实现的。
更为重要的是,这种技术不仅限于甲烷检测。其灵活性使得它可以轻松调整以检测其他多种气体,使其成为应对各类气体泄漏或排放的重要工具。
两台激光器联合作战:协同实现快速精准检测
自由形式双梳光谱虽然听起来复杂,但分解其工作原理后便不难理解。这一技术的核心依赖于诺贝尔奖获奖技术的光学频率梳。光学频率梳是一种激光工具,能够产生一系列等距且精确的光频率,就像梳子的齿排列一样。这种技术已广泛应用于精密计时、医疗诊断,甚至是探测暗物质等前沿科学领域。
“双梳”意味着在实验中同时使用了两套光学频率梳系统。与单一梳相比,双梳光谱法能够更快速地测量物质的光谱反应,并提供比许多传统光谱法更为详细的信息。这种两台光频梳协作工作的方式,不仅加快了光谱分析的速度,还极大地提高了检测的分辨率。
“自由形式”指的是研究人员如今能够对频率梳的光脉冲进行灵活精确的控制。这些脉冲的持续时间仅为100 fs(1 e-13 s),每个脉冲内的电场以极高的频率振动,振动速度高达每秒数百万次。这种高速光脉冲的精准控制,使得研究人员能够灵活地调整测量参数,从而大幅提升检测精度。
科技的下一步飞跃:环境与健康监测的新工具
随着全球面临日益严峻的环境挑战和安全需求,这项创新的激光技术为我们提供了全新的解决方案。通过更智能地检测气体和其他物质,双梳光谱法在未来将成为保护公众健康和环境的重要工具。
NIST的研究人员计划继续改进该系统,提高检测速度,并扩展其适用的激光波长范围。研究人员Esther Baumann表示:“我们系统的灵活性意味着它可以适用于广泛的应用领域。”未来,这项技术有望广泛应用于空气质量监测、食品安全检测、材料燃烧研究,甚至是非侵入式的肌肉健康评估。
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