現(xiàn)在可以在弱光條件下進行精密光譜分析

在最近發(fā)表在《自然》雜志上的一項研究中，德國柏林馬克斯·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)可以同時檢測和精確具有高化學(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問紫外光譜區(qū)域的原子和分子。這些實驗使用兩個光學(xué)頻率梳和光子計數(shù)器，為在弱光條件下進行雙梳光譜學(xué)開辟了令人興奮的前景，并為光子級診斷的新應(yīng)用(例如單個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鏡中的物理和紫外光化學(xué)的基本測試。

紫外光譜學(xué)的進展

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

Nathalie Picqué 團隊的科學(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行實驗開辟了新的可能性，為各個科學(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現(xiàn)精確光譜的強大技術(shù)，主要用于氣相小分子的紅外線性吸收。它依賴于測量重復(fù)頻率略有不同的兩個頻率梳之間的時間相關(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激光束，使其不太適合低光水平至關(guān)重要的場景。該團隊現(xiàn)已通過實驗證明，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倍以上。

這一突破是通過使用兩種不同的實驗裝置和不同類型的頻率梳發(fā)生器實現(xiàn)的。該團隊開發(fā)了一種光子級干涉儀，可以準(zhǔn)確記錄光子計數(shù)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，顯示基本極限的信噪比。這一成就凸顯了實驗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)性場景中開辟了前景。

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