新型智能激光技術(shù)可更快、更靈敏地監(jiān)測溫室氣體

美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）的科學(xué)家們開發(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，他們基于實驗室的系統(tǒng)可以檢測單一氣體，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別可能被忽視的微小泄漏或排放，從而為應(yīng)對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)家可以通過觀察不同材料與光的相互作用來識別和測量它們。正如三棱鏡能將白光分離成彩虹色一樣，光譜學(xué)也能將來自或穿過某種物質(zhì)的光分離開來，從而揭示其獨特的 “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，可以同時對多種顏色的光進(jìn)行精細(xì)檢查。

新的激光測量技術(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和測量物質(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)行較少的測量。這種策略使整個過程的效率比傳統(tǒng)方法高出 10 到 100 倍。

可視化氣體羽流

這項技術(shù)可以快速生成各種氣體云的詳細(xì)圖像。在這項研究中，研究人員創(chuàng)建了甲烷羽流的實時圖像。甲烷是一種強(qiáng)烈的溫室氣體，會導(dǎo)致氣候變化，因此能夠有效地檢測和解決這些泄漏問題將有助于保護(hù)環(huán)境和改善空氣質(zhì)量。通過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)不僅適用于檢測溫室氣體，而且適用于科學(xué)家需要識別和測量氣體的任何情況。

兩個激光器比一個好

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

這種方法的核心在于獲得諾貝爾獎的光學(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，從精密計時到醫(yī)療診斷，甚至用于尋找難以捉摸的暗物質(zhì)。

這項技術(shù)的 “雙梳 ”方面是指使用兩個光學(xué)頻率梳共同工作。這種方法通過分析物質(zhì)如何與來自兩個頻梳的光相互作用，實現(xiàn)對物質(zhì)的快速、精確測量。這種技術(shù)比單個梳狀器快得多，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)時間僅為 100 飛秒。在每個短暫的光脈沖中，都有一個電場在快速振動，每秒振動數(shù)百萬次�？焖�、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)整測量方法。

雙梳的的下一個重大飛躍

在全球努力應(yīng)對環(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。通過對氣體和其他物質(zhì)進(jìn)行更智能的檢測，這項技術(shù)在未來幾年將在保護(hù)公眾健康和環(huán)境方面發(fā)揮至關(guān)重要的作用。

研究人員計劃在實驗室中繼續(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。

NIST 研究人員 Esther Baumann 說："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，我們可能會在空氣質(zhì)量監(jiān)測器、食品安全檢測器、材料燃燒研究或非侵入式肌肉健康評估等各種領(lǐng)域看到基于這項技術(shù)的更多功能和更高效的傳感器"。

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論文鏈接：https://dx.doi.org/10.1038/s41566-024-01530-y