新型寬帶UV頻率梳提供前所未有的光譜分辨率

研究人員開(kāi)發(fā)出一種新的超快激光平臺(tái)，可產(chǎn)生具有前所未有的一百萬(wàn)條梳狀線的超寬帶紫外(UV)頻率梳，提供卓越的光譜分辨率。這種新方法還能產(chǎn)生極其精確和穩(wěn)定的頻率，可增強(qiáng)高分辨率原子和分子光譜學(xué)。光學(xué)頻率梳能發(fā)出數(shù)千條間隔規(guī)則的光譜線，它改變了計(jì)量學(xué)、光譜學(xué)和通過(guò)光學(xué)原子鐘進(jìn)行精確計(jì)時(shí)等領(lǐng)域，并因此獲得了2005年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。最初的頻率梳在可見(jiàn)光到近紅外范圍內(nèi)工作。推出后不久，通過(guò)光學(xué)諧波發(fā)生技術(shù)，其光譜范圍擴(kuò)展到紫外區(qū)，為精密激光光譜學(xué)打開(kāi)了一個(gè)新的光譜領(lǐng)域。中佛羅里達(dá)大學(xué)光學(xué)與光子學(xué)院CREOL的研究小組組長(zhǎng) Konstantin Vodopyanov 說(shuō)：“盡管如此，在紫外范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)寬帶覆蓋和高光譜分辨率仍然是一個(gè)相當(dāng)大的挑戰(zhàn)?！?/p>

新方法產(chǎn)生極其準(zhǔn)確和穩(wěn)定的頻率，可以顯著提高精確計(jì)時(shí)和高分辨率原子和分子光譜。在《Optica》雜志上，研究人員介紹了他們的高分辨率雙梳光譜系統(tǒng)，該系統(tǒng)可產(chǎn)生兩個(gè)超寬紫外光譜區(qū)的光。頻率梳的線間距僅為80MHz，分辨率高達(dá)1000萬(wàn)。Vodopyanov說(shuō)：“寬帶、高分辨率紫外光譜技術(shù)為了解原子和分子中的電子躍遷提供了獨(dú)特的視角，使其在化學(xué)分析、光化學(xué)、大氣痕量氣體傳感和系外行星探測(cè)等應(yīng)用中具有無(wú)價(jià)之寶的價(jià)值，在這些應(yīng)用中，同時(shí)探測(cè)大量吸收特征是至關(guān)重要的?！?/p>

雙梳光譜

雙梳光譜法能夠精確細(xì)化UV梳狀線結(jié)構(gòu)為了將包含一百萬(wàn)條緊密間隔光譜線的紫外頻率梳用于光譜學(xué)應(yīng)用，研究人員需要一種能夠?qū)崿F(xiàn)高光譜分辨率的方法--超越現(xiàn)有光譜儀的能力。

雙梳光譜法能夠精確細(xì)化UV梳狀線結(jié)構(gòu)

他們采用了雙梳光譜法，這是一種功能強(qiáng)大的新技術(shù)，它在單個(gè)探測(cè)器上結(jié)合了兩個(gè)線間距略有不同的頻率梳，產(chǎn)生干涉圖。通過(guò)傅立葉變換，可以重建整個(gè)光譜，具有極高的光譜分辨率和快速的數(shù)據(jù)采集能力。

研究小組組長(zhǎng)Vodopyanov說(shuō)：“盡管在過(guò)去十年中，雙梳光譜學(xué)在中紅外和太赫茲區(qū)域取得了重大進(jìn)展，但在紫外光譜范圍仍存在明顯差距，現(xiàn)有的演示在分辨率、帶寬或兩者方面都存在不足?！睘榱藨?yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，研究人員開(kāi)發(fā)了一種激光平臺(tái)，可以產(chǎn)生波長(zhǎng)為2.4微米的高度相干超快紅外脈沖。利用非線性晶體，他們產(chǎn)生了第 6 次和第 7 次諧波，從而產(chǎn)生了兩個(gè)紫外波段：第6次諧波覆蓋了約100萬(wàn)條光譜分辨梳狀線，第7次諧波包含了約55萬(wàn)條梳狀線。這樣就產(chǎn)生了兩個(gè)紫外光譜范圍，分別為 372~410 納米和 325~342 納米。為了實(shí)現(xiàn)雙梳狀光譜，他們復(fù)制了寬帶紫外頻率梳狀系統(tǒng)，從而進(jìn)一步完善了紫外梳狀結(jié)構(gòu)。

精確的光譜線

通過(guò)將光譜線與原子鐘進(jìn)行參照，研究人員確保他們能夠進(jìn)行高精度的光譜測(cè)量，以滿足最苛刻的應(yīng)用要求。作為演示，他們使用雙梳光譜系統(tǒng)測(cè)量了 IPG/OptiGrate 制造的體布拉格光柵鏡的窄反射光譜。研究人員稱，新系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了10,000,000的分辨率，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于現(xiàn)有的光柵和傅立葉光譜儀。下一步，研究人員的目標(biāo)是將這項(xiàng)技術(shù)擴(kuò)展到更深的紫外區(qū)域，波長(zhǎng)可能達(dá)到100納米。

審核編輯 黃宇