新型频率梳能在 20 纳秒快照中识别分子
发布时间：2023-10-31 10:27:17 阅读数： 193
基于 OPO 的中红外双梳光谱仪的仪器示意图，用于探测超音速脉冲射流。a, 近红外（NIR）ECDL 是两个光频梳（FC）的共同源，这两个光频梳是使用重复率略有不同的 EOM 生成的。上光束路径上的两个 EOM 采用相同的波形驱动，以增加调制深度。然后通过放大器（Amp.）和单谐振 CW OPO 将这对频率梳组合起来，并转换成中红外（MIR）波长。然后，惰波束通过超音速射流，并在光电二极管上进行测量。b, 超音速脉冲射流的机器图，显示了增压室、常闭电磁阀、CD 喷嘴和光学测试室。红色为中红外光束。图片来源：《自然-光子学》（2023 年）。DOI:10.1038/s41566-023-01316-8
从监测温室气体的浓度到检测呼吸中的 COVID，被称为频率梳的激光系统能够以前所未有的精确度和灵敏度识别特定的分子，简单的如二氧化碳，复杂的如单克隆抗体。然而，频率梳虽然令人惊叹，但在捕捉高超音速推进或蛋白质折叠成最终三维形状等高速过程的速度方面却受到了限制。
现在，美国国家标准与技术研究院 (NIST)、Toptica Photonics AG 和科罗拉多大学博尔德分校的研究人员已经开发出一种频率梳系统，可以每 20 纳秒（即十亿分之一秒）检测样品中特定分子的存在。
有了这项新功能，研究人员就有可能利用频率梳来更好地了解从高超音速喷气发动机的工作原理到调节细胞生长的酶之间的化学反应等快速运动过程中的瞬间中间步骤。研究小组在《自然-光子学》（Nature Photonics）杂志上发表了一篇论文，公布了他们的研究成果。
在实验中，研究人员使用了现在常见的双频梳装置，这种装置包含两束激光，共同探测分子吸收的光谱颜色。大多数双频梳装置都包含两个飞秒激光器，它们同步发出一对超快脉冲。
在这项新实验中，研究人员使用了一种更简单、更便宜的装置，即 "电光梳"，在这种装置中，一束连续的光首先被分成两束。然后，电子调制器产生电场，改变每束光，将它们塑造成频率梳的各个 "齿"。每个齿都是一种特定颜色或频率的光，可以被感兴趣的分子吸收。
传统的频率梳可以有数千甚至数百万个齿，而研究人员的电光梳在一次典型的实验中只有 14 个齿。然而，由于每个齿的光功率要高得多，而且在频率上与其他齿相差甚远，因此产生了清晰、强烈的信号，使研究人员能够在 20 纳秒的时间尺度上检测光吸收的变化。
在演示中，研究人员使用该仪器测量了从一个充满空气的腔室中的小喷嘴喷出的二氧化碳超音速脉冲。他们测量了二氧化碳混合比，即空气中二氧化碳的比例。二氧化碳浓度的变化告诉研究人员脉冲的运动情况。研究人员看到了二氧化碳如何与空气相互作用，并在其后产生气压振荡。即使是最复杂的计算机模拟，通常也很难准确获得这些细节。
"在飞机发动机等更复杂的系统中，我们可以使用这种方法来观察特定的相关物种，如水、燃料或二氧化碳，以观察其化学性质。我们还可以使用这种方法，通过观察信号的变化来测量压力、温度或速度等。从这些实验中获得的信息可以为改进内燃机的设计或更好地了解温室气体如何与大气相互作用提供启示。
实验装置中的一个特殊部件被称为光学参量振荡器，用于将梳齿从二氧化碳吸收的近红外颜色转移到中红外颜色。但光参量振荡器也可以调谐到中红外的其他区域，这样梳齿就能探测到在这些区域吸收光的其他分子。
论文中包含的信息可供其他研究人员在实验室中构建类似的系统，从而使这项新技术在许多研究领域和行业得到广泛应用。
"这项工作的真正特别之处在于，它大大降低了希望使用频率梳研究快速过程的研究人员的入门门槛，"共同作者、科罗拉多大学博尔德分校教授、NIST 前助理研究员格雷格-里克尔（Greg Rieker）说。
"有了这个装置，你可以产生任何你想要的梳状频率。这种方法的可调性、灵活性和速度为许多不同类型的测量打开了大门，"Long 说。
参考资料
Long, D.A. et al. Nanosecond time-resolved dual-comb absorption spectroscopy, Nature Photonics (2023). DOI: 10.1038/s41566-023-01316-8. www.nature.com/articles/s41566-023-01316-8/
