激光网3月14日消息，在最近发表在《自然》杂志上的一篇论文中，德国柏林马克斯·伯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报告了一种用光破译物质特性的新技术，该技术可以同时检测和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水平下询问紫外光谱区域中的原子和分子。
使用两个光学频率梳和一个光子计数器，这些实验为在弱光条件下进行双梳光谱开辟了令人兴奋的前景，并为光子级诊断的新应用铺平了道路，例如单个原子或分子的精密光谱学，用于地球大气层或太空望远镜中的物理和紫外光化学的基本测试。
紫外光谱在原子中的电子跃迁和分子中的rovibronic跃迁研究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、基本常数的确定、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学以及强场物理学的测试至关重要。
Nathalie Picqué小组的科学家现在在紫外光谱领域取得了重大飞跃，成功地在紫外光谱范围内实现了高分辨率线性吸收双梳光谱。这一突破性的成就为在弱光条件下进行实验开辟了新的可能性，为各种科学和技术领域的新应用铺平了道路。
双梳光谱是一种在宽光谱带宽上进行精确光谱分析的强大技术，主要用于气相中小分子的红外线性吸收。它依赖于测量重复频率略有不同的两个频率梳之间的瞬态干扰。频率梳是均匀分布、相位相干的激光线的光谱，它就像一把尺子，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，为高精度和准确度提供了巨大的潜力。
然而，双梳光谱通常需要强烈的激光束，因此不太适合低光照水平至关重要的场景。该团队现在已经通过实验证明，双梳光谱法可以在弱光条件下有效使用，其功率水平比通常使用的功率水平弱一百万倍以上。这一突破是使用两种不同的实验装置和不同类型的频梳发生器实现的。
该团队开发了一种光子级干涉仪(图1)，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。这一成就凸显了对可用光在实验中的最佳利用，并开辟了双梳光谱在低光照水平至关重要的具有挑战性的场景中的前景。
图1：紫外光子计数双梳光谱仪。通过近红外梳的非线性频率转换，在非常低的光照水平下产生两个脉冲重复频率略有不同的紫外频率梳。一把紫外线梳穿过样品。然后将两个微弱的梳子与分束器叠加，并由光子计数检测器检测。在比通常使用的功率水平弱一百万倍以上的情况下，检测到的光子的统计数据携带有关样品的信息，其光谱可能非常复杂。
研究人员解决了与生成紫外频率梳和构建具有长相干时间的双梳干涉仪相关的挑战，为这一令人垂涎的目标的进展铺平了道路。他们巧妙地控制了两个梳状激光器的相互相干性，每条梳状线有一飞瓦，证明了在超过一小时的时间内，干扰信号的计数统计数据的最佳积累。
“我们的低光干涉测量创新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”，领导实验的博士后科学家徐冰欣评论道。
事实上，一个引人注目的未来应用是开发短波长的双梳光谱，以实现在宽光谱范围内精确的真空和极紫外分子光谱。目前，宽带极紫外光谱在分辨率和精度方面受到限制，并且依赖于专业设施中的独特仪器。
“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弱光条件下，在精密光谱学、生物医学传感和环境大气探测方面开辟了新的应用。就我个人而言，这一里程碑是在马克斯-普朗克量子光学研究所进行的一项实验的结果，该实验是在我已经担任马克斯·伯恩研究所所长的情况下完成的。我无法想象还有比这更激动人心的方式过渡到一个新的研究所。MBI现在将主持我们在该领域的下一个激动人心的实验，“Nathalie Picqué总结道。短波长范围内双梳光谱的发展有望在多个科学和技术领域取得进步，凸显了这一成就的重要性。
