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在近乎全黑的环境中记录了近十万种颜色的光谱

来源:环球科学

一种光子计数双光梳光谱仪。两束重复频率稍有差异的锁模飞秒激光脉冲通过分束器被叠加在一起。其中一束(的能量)通过样本后并在到达光子计数器之前会被大幅削弱。这样,探测到的光子的能量水平较削弱前低10亿倍,由此统计到的光子数据则携带了样本高度复杂的光谱信息。 (图片来源:马克斯·普朗克量子光学研究所)

我们的眼睛仅对三种光谱色带(红、绿、蓝)敏感,当光线变得非常暗时人眼便不再能分辨它们。光谱学工作者能够通过光波的频率识别出更多色彩,并通过原子和分子的谱指纹来鉴别它们。在一项原理验证实验中,来自马克斯·普朗克量子光学研究所(MPQ)和Ludwig-Maximilian大学(LMU)的Nathalie Picqué和Theodor Hänsch在近乎全黑的环境中记录了大约10万种色彩对应的光谱。该实验使用了两束锁模飞秒激光和一个单独的光子计数器。实验结果发表于《美国国家科学院院刊》(PNAS)。

图片来源:Pixabay

一束锁模飞秒激光能够产生成百上千束频率不同的峰值谱线。目前,这样的光学频率梳被广泛用于统计光波的振荡,并用作光原子钟的计时组件。2005年诺贝尔物理学奖颁发给Theodor Hänsch和John L. Hall后,频率梳技术就一直受到重视。

过去15年间,就职于MPQ的Nathalie Picqué将频率梳用作宽频带光谱学中的新方法。在她的双光梳光谱学技术中,其中一束激光对应的所有“梳齿(*在频域中由不同频率构成的齿状结构)”在很宽的频带内同时与样本作用,另外一束频率稍有差异的激光的梳齿在一个快速光子探测器上与之形成干涉,并输出干涉信息。由这样两束激光发出的成对梳齿,在探测器内形成拍频信号并由计算机记录以进行后处理。样本中所有的光谱结构都会反映在拍频信号的梳齿结构上,进而被重现。光信号的速度会被大幅降低一个系数,即激光重复频率除以(这两束激光)重复频率的差值。这一强大的光谱工具拥有近乎无限的光谱分辨率,可能用于原子钟校准,以及在无需扫描或机械运动部件的状况下获得高度一致的复杂光谱。


图片来源:Pixabay

Picqué和Hänsch现已证实,双光梳光谱仪可以在极弱的光强环境下进行光子计数。利用光子计数器的统计信息可以发现干涉信号,即便该信号的能量极低——平均每2000束激光脉冲中才有一次。这种情况下,绝对不可能有分别来自这两束激光的两个光子同时出现在探测路径上。当然除非我们假设其中一个光子在被探测之前就已经存在。

双光梳光谱仪可以在较一般使用环境弱10亿倍的光强环境下工作,这将是一个新的方向。Nathalie Picqué说道:“可以将该方法拓展到能使用极弱频率的光梳为光源的光谱领域,比如极紫外线和软X射线。目前光信号通过高衰减型材料或通过长距离反向散射来获得。另外,也可以从仅产生极弱信号的纳米尺度样本甚至单原子或单分子中提取双光梳,这种情况下会产生极弱的荧光信号。”

Theodor Hänsch仍记得实验室中干涉信号首次出现在检测器中的那一刻。“即便从事激光光谱工作超过了50年,我仍感到十分激动。这实在是让人难以置信,竟真的从两束激光发射的大量梳齿和复杂的样本谱中检测到了单独的光子。” 

翻译:张宇哲

审校:董子晨曦

引进来源:Max Planck Society

引进链接:https://phys.org/news/2020-10-scientists-broad-spectra-thousand-darkness.html

 

本文来自:环球科学
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