近日，美国国家标准与技术研究院（NIST）的科学家开发了一种新的基于激光的技术，可以大大提高我们分析各种材料和气体（包括温室气体）的能力。这种被称为“自由形式双梳光谱学”的新方法提供了一种更快、更灵活、更灵敏的方法来分析空气和其他材料中的物质。
在这项发表在《Nature Photonics》期刊中的具体研究中（DOI:10.1038/s41566-024-01530-y），研究人员证明，他们的实验室系统可以检测到单一气体，在这种情况下是强效温室气体甲烷，其灵敏度是传统双梳系统的22倍。这种增加的敏感性有朝一日可能有助于识别可能被忽视的小泄漏或排放，从而有助于应对气候变化。
技术进步
光谱学是一种复杂的技术，它使科学家能够通过观察不同材料与光的相互作用来识别和测量不同的材料。正如棱镜将白光分离成彩虹般的颜色，光谱学将来自或穿过物质的光分离出来，揭示其独特的“指纹”，并提供有关其性质和成分的宝贵信息。
NIST的研究人员创造了一种改进的基于激光的测量技术，称为双梳光谱学。双梳光谱学是一种特别高分辨率的光谱学形式，可以同时对多种颜色的光进行精细的检查。
新的激光测量技术改进了旧方法，使科学家能够以令人难以置信的精度控制激光脉冲的定时。这种精确的控制使他们能够专注于样本指纹中最重要的部分，而忽略不提供有用信息的区域。因此，更智能的系统可以比以前更快地检测和测量物质。
这种新方法可以以多种方式使用。例如，科学家可以使用它快速创建图像，显示气体在空间中的分布情况。或者，如果研究人员不知道他们正在调查的地区到底有什么样的气体，他们可以使用一种称为压缩采样的通用技术。这是一种“智能”的测量方法，专注于可能有重要信息的领域，在其他地方进行较少的测量。这种策略使整个过程的效率比传统方法高10到100倍。
可视化气体羽流
这项技术可以创建各种气体云的快速、详细的图像。在这项研究中，研究人员创建了甲烷羽流的实时图像。甲烷是一种强效温室气体，会导致气候变化，因此能够有效地检测和解决这些泄漏问题，有朝一日可能有助于保护环境和改善空气质量。通过快速生成甲烷羽流的图像，科学家可以快速确定气体泄漏的位置。
这项技术不仅适用于检测温室气体，也适用于科学家需要识别和测量气体的任何情况。
两台激光器总比一台好
自由形式的双梳光谱学可能发音很难，但通过将其分解为几个无缝协作的部分，可以更容易地理解这项技术是如何工作的。
这种方法的核心在于诺贝尔奖获得者的光学频率梳，这是一种激光工具，可以以一系列等距、精确的频率产生光，类似于梳齿。这些频率梳用于各种目的，从精确计时到医学诊断，甚至是寻找难以捉摸的暗物质。
该技术的“双梳”方面是指使用两个光学频率梳协同工作。这种方法通过分析物质如何与两个梳子发出的光相互作用，实现了对物质的快速、精确测量。这种技术比单梳快得多，可以提供比许多传统光谱方法更详细的信息。
“自由形式”是指最近成为可能的高精度频率梳控制的灵活性。频率梳发射的光脉冲持续时间仅为100飞秒。在每一次短暂的光爆发中，都有一个电场，其振动速度极快，每秒数百万次。快速准确地控制这种快光的能力使研究人员能够改进和调整他们的测量方式。
双梳的下一个飞跃
随着世界努力应对环境挑战和改进安全措施的需要，这种创新的激光技术提供了一种有前景的新工具。通过更智能地检测气体和其他物质，它可以在未来几年在保护公众健康和环境方面发挥至关重要的作用。
研究人员计划继续在实验室中改进他们的系统，使其更快，并调整他们的方法以适应各种激光波长。
NIST研究员Esther Baumann表示：“我们系统的灵活性意味着它可以适应广泛的应用。”。“未来，我们可能会看到基于这项技术的更多功能和高效的传感器，从空气质量监测器到食品安全探测器，再到研究材料如何燃烧或无创评估肌肉健康。”
