紫外光子计数双梳光谱仪。通过对近红外梳的非线性频率转换，在极低光照条件下产生脉冲重复频率略有不同的两个紫外频率梳。一个紫外线梳穿过一个样品。然后用分束器叠加两个微弱的梳状结构，并由光子计数探测器检测。在比通常使用的功率弱100万倍以上的情况下，探测到的光子的统计数据携带了样品的信息，其光谱可能非常复杂。资料来源:T.W. H?nsch(量子光学MPI)和N. picqu
(马克斯玻恩研究所量子光学MPI)。
在最近发表在《自然》杂志上的一项研究中，来自德国柏林马克斯·波恩研究所和加兴马克斯-普朗克量子光学研究所的研究人员公布了一种利用光破译物质特性的新技术，该技术可以同时检测并精确量化许多具有高化学选择性的物质。
他们的技术在非常微弱的光线水平下对紫外线光谱区域的原子和分子进行检测。使用两个光学频率梳和一个光子计数器，实验开辟了在弱光条件下进行双梳光谱的令人兴奋的前景，并为光子级诊断的新应用铺平了道路，例如用于地球大气或太空望远镜中物理和紫外光化学基础测试的单个原子或分子的精确光谱。
紫外光谱学研究进展
紫外光谱在研究原子中的电子跃迁和分子中的振动跃迁中起着至关重要的作用。这些研究对于基础物理学、量子电动力学理论、基本常数的测定、精密测量、光学时钟、支持大气化学和天体物理学的高分辨率光谱以及强场物理学的测试至关重要。
Nathalie picqu
双梳光谱学原理与挑战
双梳光谱学是一种强大的宽频带精确光谱学技术，主要用于气相小分子的红外线性吸收。它依赖于测量两个重复频率略有不同的频率梳之间的时间相关干扰。频率梳是由均匀间隔的相位相干激光线组成的光谱，它的作用就像一把尺子，可以极其精确地测量光的频率。双梳技术不受传统光谱仪的几何限制，具有很高的精度和准确度。
然而，双梳光谱学通常需要强烈的激光束，这使得它不太适合低光水平的情况。该团队现在已经通过实验证明，双梳光谱学可以有效地应用于饥饿光条件下，功率水平比通常使用的弱100万倍以上。
这一突破是通过两种不同的实验装置和不同类型的频率梳发生器实现的。该团队开发了一种光子级干涉仪，可以准确记录光子计数的统计数据，显示基本极限下的信噪比。这一成就突出了实验中可用光的最佳利用，并为双梳光谱在低光水平必不可少的具有挑战性的情况下开辟了前景。
克服技术挑战和未来应用
研究人员解决了与产生紫外频率梳和构建长相干时间双梳干涉仪相关的挑战，为实现这一令人垂涎的目标铺平了道路。他们精确地控制了两个梳状激光器的相互相干性，每个梳状线一个飞瓦，展示了在超过一小时的时间内，他们的干涉信号计数统计的最佳建立。“我们创新的低光干涉测量方法克服了非线性频率转换效率低带来的挑战，并为将双梳光谱扩展到更短的波长奠定了坚实的基础，”领导该实验的博士后科学家徐冰新评论道。
事实上，一个引人注目的未来应用是在短波长的双梳光谱的发展，以实现精确的真空和极紫外分子光谱在宽的光谱跨度。目前，宽带极紫外光谱在分辨率和精度方面受到限制，并且依赖于专门设施的独特仪器。
“紫外双梳光谱虽然是一个具有挑战性的目标，但由于我们的研究，现在已经成为一个现实的目标。重要的是，我们的研究结果将双梳光谱的全部功能扩展到低光条件下，开启了精密光谱、生物医学传感和环境大气探测方面的新应用。就我个人而言，这一里程碑式的成果来自马克斯普朗克量子光学研究所的一项实验，而我已经在马克斯玻恩研究所担任主任一职。我想象不出比这更令人兴奋的过渡到新学院的方式了。MBI现在将主持我们在这一领域的下一个令人兴奋的实验!”Nathalie picqu
总结道。
双梳光谱学在短波长范围内的发展有望在几个科学和技术领域取得进展，强调了这一成就的重要性。
参考文献:“近紫外光子计数双梳光谱”，作者:徐冰新，陈在军，Theodor W. H?nsch和Nathalie picqu
， 2024年3月6日，Nature。DOI: 10.1038 / s41586 - 024 - 07094 - 9
