新的宽带紫外频率梳提供前所未有的光谱分辨率
发布时间：2024-11-01 10:21:31 阅读数： 487
新方法产生非常精确和稳定的频率，可以显著提高精密计时和高分辨率原子和分子光谱。来源：Konstantin Vodopyanov， CREOL
研究人员开发出一种新型超快激光平台，它能够产生具有多达 100 万条梳线的超宽带紫外（UV）频率梳，具备前所未有的卓越光谱分辨率。这种新方法还可产生极为精确且稳定的频率，有助于提高原子和分子的高分辨率光谱。光学频率梳会发射出数千条呈规则间隔的光谱线，它凭借光学原子钟改变了计量学、光谱学以及精密计时等领域，并荣获 2005 年诺贝尔物理学奖。最初的频率梳是在可见光到近红外范围内工作的。在其被引入后不久，通过光谐波产生的方式将光谱范围扩展到了紫外区域，从而为精密激光光谱学开拓了一个新的光谱领域。
中佛罗里达大学光学与光子学学院 CREOL 的研究小组负责人 Konstantin Vodopyanov 表示：“即便如此，要在紫外范围内实现宽带覆盖以及高光谱分辨率，依旧是一项相当艰巨的挑战。” 在《光学》杂志上，研究人员阐述了他们所研发的高分辨率双梳光谱系统，该系统能够在两个超宽的紫外光谱区域产生光线，其线间距仅为 80mhz，频率梳展现出高达 1000 万的分辨能力。Vodopyanov 还提到：“宽带、高分辨率的紫外光谱为原子和分子中的电子跃迁提供了独特视角，这使得它在化学分析、光化学、大气痕量气体传感以及系外行星探测等应用中极具价值，因为在这些应用中，同时检测众多吸收特征是至关重要的。”对于将包含 100 万条紧密间隔光谱线的紫外频率梳应用于光谱学领域而言，研究人员需要一种能够实现超越现有光谱仪能力的高光谱分辨率的方法，这便是双梳光谱学所面临的问题。
双梳光谱学能够精确地细化紫外梳线结构。来源：Konstantin Vodopyanov， CREOL
他们求助于双梳光谱学，这是一种强大的新技术，它将两个频率梳结合在一起，在单个探测器上的线间距略有不同，从而产生干涉图。通过应用傅里叶变换，可以以极高的光谱分辨率和快速的数据采集重建整个光谱。
Vodopyanov说：“尽管在过去的十年中，双梳光谱在中红外和太赫兹区域取得了重大进展，但在紫外光谱范围内仍然存在显着的差距，现有的演示在分辨率，带宽或两者方面都存在不足?！?/p>
为了解决这一挑战，研究人员开发了一种激光平台，可以产生波长为2.4 μ m的高相干超快红外脉冲。使用非线性晶体，他们产生了6次和7次谐波，产生了两个紫外波段：6次谐波覆盖了大约1,000,000个光谱分辨的梳状线，7次谐波包含大约550,000个。得到了372-410 nm和325-342 nm的紫外光谱范围。为了实现双梳光谱，他们复制了宽带紫外频率梳系统，允许进一步改进紫外梳的结构精密谱线通过参考原子钟的光谱线，研究人员确保他们可以进行高精度的光谱测量，适合最苛刻的应用。
作为演示，他们使用双梳光谱系统测量了IPG/OptiGrate公司制造的体积布拉格光栅反射镜的窄反射光谱。新系统的分辨率达到了1000万，研究人员说这远远优于现有的光栅和傅立叶光谱仪。接下来，研究人员的目标是将这项技术扩展到更深的紫外线区域，可能达到100纳米的波长。
