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使用太赫兹做更多的事情:简化近红外光谱系统

作者:光行天下小萌新译 来源:物理学家组织网 时间:2020-06-09 16:17 阅读:561 [投稿]
研究人员已经在研究另一种补充技术,这种技术可以进一步提高单束激光对THz双梳光谱学的分辨率。自适应采样技术的使用降低了系统的复杂性,可以拓宽精密太赫兹光谱的应用领域,为科学家进一步探索物质世界提供了一个强大而简单的工具。

光谱学起源于19世纪早期对物质和电磁辐射相互作用的好奇。由于电子技术和材料科学的进步,各种光谱学技术现在通常用于研究材料的组成和化学键的性质,通过分析它们如何吸收或反射电磁波。

不同的材料在很宽的频率范围内有不同的吸收剖面。某些分子系统的一些重要特征,如水体系中的氢键或蛋白质的自组装,只能在太赫兹(THz,1万亿赫兹)的频率范围内被观察到,这是近红外范围。科学家们一直在积极开发与这种高频兼容的光谱学技术,其中一种很有前途的技术叫做太赫兹双梳光谱学。

虽然这种方法在太赫兹范围内比其他方法有许多优点,但由于测量系统的高度复杂性,通常需要两个独立稳定的激光器作为辐射源,它的使用受到了限制。现在,来自日本德岛大学、中国北京航空航天大学和法国滨海Cote d’opale大学的研究人员报道了一种新的THz双梳光谱学方案,该方案只需要一个激光光源,但仍能提供异常的分辨率。

为了理解他们方法的主要方面,它有助于理解太赫兹双梳光谱学的基础。术语“双梳”指的是激光脉冲在绘制频率时,在太赫兹区域的宽频率范围内看起来像一系列等间隔的尖峰(光谱线),因此是“梳”。在双梳光谱学中,用两个梳状略有不同的激光器来测量样品的吸收剖面。由于该系统的性质,实际测量的信号是由两个梳状梳“混合”产生的,其频率范围要小得多,但仍能反映所有感兴趣的高频信息。然而,使用双激光器会导致稳定控制问题。


为了解决稳定的问题,研究人员用一束激光制造了两个梳状体。然而,当两个梳状结构都由同一个激光源产生时,“抖动”或定时不稳定性会模糊最终测量的低频信号中所反映的高频信息。他们通过使用一种称为自适应采样的技术纠正了这种不希望出现的现象,这种技术不是在相同的时间周期内采样,而是在特定的时间进行计算,以最小化梳齿之间相对定时的漂移或误差。

为了证明他们的方法,研究人员对空气和化合物乙腈的混合物进行了测量。这种特殊气体在太赫兹辐射下表现出特征,最重要的是,这些特征随压力略有变化。由于这些变化非常小,以前使用单一激光的双梳光谱学方法由于其有限的分辨率无法探测到它们。相反,研究人员可以使用本研究中提出的方案来准确地观察这些特征中的许多。他们报告了一个非常窄的吸收线宽(25 MHz)——这是首次用双梳状光纤激光器实现的。

研究人员已经在研究另一种补充技术,这种技术可以进一步提高单束激光对THz双梳光谱学的分辨率。自适应采样技术的使用降低了系统的复杂性,可以拓宽精密太赫兹光谱的应用领域,为科学家进一步探索物质世界提供了一个强大而简单的工具。

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