研究人員開發(fā)出一種新的超快激光平臺，可產生具有前所未有的一百萬條梳狀線的超寬帶紫外(UV)頻率梳，提供卓越的光譜分辨率。這種新方法還能產生極其精確和穩(wěn)定的頻率，可增強高分辨率原子和分子光譜學。光學頻率梳能發(fā)出數(shù)千條間隔規(guī)則的光譜線，它改變了計量學、光譜學和通過光學原子鐘進行精確計時等領域，并因此獲得了2005年諾貝爾物理學獎。最初的頻率梳在可見光到近紅外范圍內工作。推出后不久，通過光學諧波發(fā)生技術，其光譜范圍擴展到紫外區(qū)，為精密激光光譜學打開了一個新的光譜領域。中佛羅里達大學光學與光子學院CREOL的研究小組組長 Konstantin Vodopyanov 說：“盡管如此，在紫外范圍內實現(xiàn)寬帶覆蓋和高光譜分辨率仍然是一個相當大的挑戰(zhàn)?！?/p>

新方法產生極其準確和穩(wěn)定的頻率，可以顯著提高精確計時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)可產生兩個超寬紫外光譜區(qū)的光。頻率梳的線間距僅為80MHz，分辨率高達1000萬。Vodopyanov說：“寬帶、高分辨率紫外光譜技術為了解原子和分子中的電子躍遷提供了獨特的視角，使其在化學分析、光化學、大氣痕量氣體傳感和系外行星探測等應用中具有無價之寶的價值，在這些應用中，同時探測大量吸收特征是至關重要的。”

雙梳光譜

雙梳光譜法能夠精確細化UV梳狀線結構為了將包含一百萬條緊密間隔光譜線的紫外頻率梳用于光譜學應用，研究人員需要一種能夠實現(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化UV梳狀線結構

他們采用了雙梳光譜法，這是一種功能強大的新技術，它在單個探測器上結合了兩個線間距略有不同的頻率梳，產生干涉圖。通過傅立葉變換，可以重建整個光譜，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Vodopyanov說：“盡管在過去十年中，雙梳光譜學在中紅外和太赫茲區(qū)域取得了重大進展，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?！睘榱藨獙@一挑戰(zhàn)，研究人員開發(fā)了一種激光平臺，可以產生波長為2.4微米的高度相干超快紅外脈沖。利用非線性晶體，他們產生了第 6 次和第 7 次諧波，從而產生了兩個紫外波段：第6次諧波覆蓋了約100萬條光譜分辨梳狀線，第7次諧波包含了約55萬條梳狀線。這樣就產生了兩個紫外光譜范圍，分別為 372~410 納米和 325~342 納米。為了實現(xiàn)雙梳狀光譜，他們復制了寬帶紫外頻率梳狀系統(tǒng)，從而進一步完善了紫外梳狀結構。

精確的光譜線

通過將光譜線與原子鐘進行參照，研究人員確保他們能夠進行高精度的光譜測量，以滿足最苛刻的應用要求。作為演示，他們使用雙梳光譜系統(tǒng)測量了 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)實現(xiàn)了10,000,000的分辨率，遠遠優(yōu)于現(xiàn)有的光柵和傅立葉光譜儀。下一步，研究人員的目標是將這項技術擴展到更深的紫外區(qū)域，波長可能達到100納米。

審核編輯 黃宇