美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）的科學(xué)家們開(kāi)發(fā)出了一種基于激光的新技術(shù)，可以極大地提高我們分析包括溫室氣體在內(nèi)的各種材料和氣體的能力。在這項(xiàng)發(fā)表在《自然-光子學(xué)》（Nature Photonics）上的具體研究中，研究人員證明，他們基于實(shí)驗(yàn)室的系統(tǒng)可以檢測(cè)單一氣體，在本例中是強(qiáng)效溫室氣體甲烷，其靈敏度比傳統(tǒng)的雙梳系統(tǒng)高出 22 倍。這種靈敏度的提高有朝一日可以幫助識(shí)別可能被忽視的微小泄漏或排放，從而為應(yīng)對(duì)氣候變化提供潛在幫助。

光譜學(xué)是一種復(fù)雜的技術(shù)，科學(xué)家可以通過(guò)觀察不同材料與光的相互作用來(lái)識(shí)別和測(cè)量它們。正如三棱鏡能將白光分離成彩虹色一樣，光譜學(xué)也能將來(lái)自或穿過(guò)某種物質(zhì)的光分離開(kāi)來(lái)，從而揭示其獨(dú)特的 “指紋”，并提供有關(guān)其性質(zhì)和成分的寶貴信息。

NIST 的研究人員創(chuàng)造了一種改進(jìn)版的激光測(cè)量技術(shù)，稱為雙梳光譜法。雙梳光譜學(xué)是一種分辨率特別高的光譜學(xué)形式，可以同時(shí)對(duì)多種顏色的光進(jìn)行精細(xì)檢查。

新的激光測(cè)量技術(shù)改進(jìn)了舊的方法，使科學(xué)家能夠以驚人的精度控制激光脈沖的時(shí)間。這種精確的控制使他們能夠?qū)Ｗ⒂跇颖局讣y中最重要的部分，而忽略那些不能提供有用信息的區(qū)域。因此，更智能的系統(tǒng)可以比以前更快地檢測(cè)和測(cè)量物質(zhì)。

這種新方法有多種用途。例如，科學(xué)家可以利用它快速創(chuàng)建圖像，顯示氣體在空間中的分布情況。另外，如果研究人員不知道他們正在調(diào)查的區(qū)域內(nèi)到底有哪種氣體，他們可以使用一種叫做壓縮采樣的通用技術(shù)。這是一種 “聰明 ”的測(cè)量方法，集中在可能有重要信息的區(qū)域，而在其他地方進(jìn)行較少的測(cè)量。這種策略使整個(gè)過(guò)程的效率比傳統(tǒng)方法高出 10 到 100 倍。

可視化氣體羽流

這項(xiàng)技術(shù)可以快速生成各種氣體云的詳細(xì)圖像。在這項(xiàng)研究中，研究人員創(chuàng)建了甲烷羽流的實(shí)時(shí)圖像。甲烷是一種強(qiáng)烈的溫室氣體，會(huì)導(dǎo)致氣候變化，因此能夠有效地檢測(cè)和解決這些泄漏問(wèn)題將有助于保護(hù)環(huán)境和改善空氣質(zhì)量。通過(guò)快速生成甲烷羽流圖像，科學(xué)家們可以迅速確定氣體泄漏的位置。

這種技術(shù)不僅適用于檢測(cè)溫室氣體，而且適用于科學(xué)家需要識(shí)別和測(cè)量氣體的任何情況。

兩個(gè)激光器比一個(gè)好

自由形式雙梳光譜法的發(fā)音可能很拗口，但將其分解為幾個(gè)部分，并使其完美地結(jié)合在一起，就能更容易地理解這項(xiàng)技術(shù)的工作原理。

這種方法的核心在于獲得諾貝爾獎(jiǎng)的光學(xué)頻率梳，它是一種激光工具，能產(chǎn)生一系列等距、精確頻率的光，就像梳齒一樣。這種頻率梳用途廣泛，從精密計(jì)時(shí)到醫(yī)療診斷，甚至用于尋找難以捉摸的暗物質(zhì)。

這項(xiàng)技術(shù)的 “雙梳 ”方面是指使用兩個(gè)光學(xué)頻率梳共同工作。這種方法通過(guò)分析物質(zhì)如何與來(lái)自兩個(gè)頻梳的光相互作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)物質(zhì)的快速、精確測(cè)量。這種技術(shù)比單個(gè)梳狀器快得多，而且能提供比許多傳統(tǒng)光譜學(xué)方法更詳細(xì)的信息。

“自由形式 "指的是最近才有可能實(shí)現(xiàn)的高精度頻率梳控制的靈活性。頻率梳發(fā)出的光脈沖持續(xù)時(shí)間僅為 100 飛秒。在每個(gè)短暫的光脈沖中，都有一個(gè)電場(chǎng)在快速振動(dòng)，每秒振動(dòng)數(shù)百萬(wàn)次。快速、準(zhǔn)確地控制這種快速光的能力使研究人員能夠改進(jìn)和調(diào)整測(cè)量方法。

雙梳的的下一個(gè)重大飛躍

在全球努力應(yīng)對(duì)環(huán)境挑戰(zhàn)和改進(jìn)安全措施的需要之際，這種創(chuàng)新的激光技術(shù)提供了一種前景廣闊的新工具。通過(guò)對(duì)氣體和其他物質(zhì)進(jìn)行更智能的檢測(cè)，這項(xiàng)技術(shù)在未來(lái)幾年將在保護(hù)公眾健康和環(huán)境方面發(fā)揮至關(guān)重要的作用。

研究人員計(jì)劃在實(shí)驗(yàn)室中繼續(xù)改進(jìn)他們的系統(tǒng)，使其速度更快，并使他們的方法適用于多種激光波長(zhǎng)。

NIST 研究人員 Esther Baumann 說(shuō)："我們系統(tǒng)的靈活性意味著它可以適用于廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。未來(lái)，我們可能會(huì)在空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)器、食品安全檢測(cè)器、材料燃燒研究或非侵入式肌肉健康評(píng)估等各種領(lǐng)域看到基于這項(xiàng)技術(shù)的更多功能和更高效的傳感器"。

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