科學家在幾乎完全的黑暗中檢測到了近十萬種顏色的寬光譜

2020-10-21 科技領航人

我們的眼睛僅對三個光譜色帶（紅色，綠色，藍色）敏感，如果顏色變得很暗，人們將無法分辨顏色。光譜學家可以通過光波的頻率識別更多顏色，並可以通過光譜指紋來區分原子和分子。在一項原理驗證實驗中，來自馬克斯-普朗克量子光學研究所（MPQ）和路德維希-馬克西米利安大學（LMU）的娜塔莉·皮奎（NathaliePicqué）和西奧多·漢施（TheodorHänsch）現在已在近乎完全黑暗的環境中檢測到了近100,000種顏色的寬光譜。該實驗使用了兩個鎖模飛秒雷射器和一個光子計數檢測器。結果剛剛發表在《美國國家科學院院刊》上。

圖註：光子計數雙梳狀光譜儀。 脈衝重複頻率稍有不同的兩個鎖模飛秒雷射束與分束器疊加。 一個輸出在通過樣品併到達光子計數檢測器之前被高度衰減。 在比通常使用的功率弱十億倍的功率水平下，檢測到的光子的統計信息將攜帶有關樣品的信息以及其可能非常複雜的光譜。

鎖模飛秒雷射器發出成千上萬條尖銳的光譜線，這些光譜線的頻率均勻分布。這樣的雷射頻率梳現在被廣泛地用於計數雷射的振蕩，並且它們用作光學原子鐘中的鐘表。當西奧多·漢施（TheodorHänsch）和約翰·霍爾（John L. Hall）獲得2005年度諾貝爾物理學獎時，頻率梳技術得到了突出的體現。

在過去的15年中，MPQ的娜塔莉·皮奎（NathaliePicqué）利用頻率梳開發了寬帶光譜的新方法。在她的雙梳光譜技術中，一個雷射器的所有梳線同時在很寬的光譜範圍內詢問樣品，而間距稍有不同的第二個雷射器的梳線會干擾快速光電探測器以進行讀出。一對梳齒線，每個雷射束一對，在檢測器信號中產生射頻跳動音符。這些射頻信號可以被計算機數位化和處理。樣品中的任何光譜結構在射頻信號的梳理中都重新顯示為相應的圖案。有效地將光信號減慢一個很大的係數，該係數等於雷射重複頻率除以重複頻率之差。這種功能強大的光譜儀工具的獨特優勢包括：幾乎無限的光譜解析度，可以通過原子鐘進行校準以及無需任何掃描或機械移動部件即可高度一致地採集複雜光譜。

娜塔莉·皮奎（NathaliePicqué）和西奧多·漢施（TheodorHänsch）現在證明，在光子計數方式中，雙梳狀光譜可以擴展到極低的光強度。即使功率非常低，以至於平均在2000個雷射脈衝的時間內僅記錄一次咔嗒聲，也可以在光子計數檢測器的咔嗒聲統計中觀察到幹擾信號。在這種情況下，極不可能在檢測路徑中同時存在兩個光子，每個光子來自一個雷射器。如果人們假設檢測前存在光子，則無法直觀地解釋該實驗。

在光強度下工作的能力比通常使用的低十億倍，這為雙梳子光譜學的發展開闢了新的前景。娜塔莉·皮奎（NathaliePicqué）說：「現在，該方法可以擴展到最多可用微弱頻率梳源的光譜區域，例如極紫外或軟X射線區域。可以通過高度衰減的材料或通過大範圍的反向散射，來獲取光譜信號從納米樣品中提取雙梳狀光譜到單個原子或分子，這僅產生微弱的螢光信號，這是可行的。」

西奧多·漢施（ThodorHänsch）記得在實驗室中，當檢測器點擊的統計數據中首次出現幹擾模式時的那一刻：「我非常激動。即使在雷射光譜學工作超過 50 年之後，在我看來，單個檢測到的光子可以"感知"兩種雷射器及其大量的梳線和樣品的複雜光譜，這似乎與直覺大相逕庭。」

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