新型智能激光技术，在多领域展现巨大市场潜力

近日，美国国家标准与技术研究院（NIST）的科学家们宣布开发出了一种基于激光的新技术，可以极大提高分析包括温室气体在内的各种材料和气体的能力。这种新方法被称为“自由形式双梳光谱法”（free-form dual-comb spectroscopy），为分析空气和其他材料中的物质提供了一种更快快速灵敏的方法。

在这项发表于《自然-光子学》（Nature Photonics）的具体研究中，研究人员证明，他们基于实验室的系统可以检测单一气体，在本例中是强效温室气体甲烷，其灵敏度比传统的双梳系统高出22倍。这种灵敏度的提高，有朝一日可以帮助识别可能被忽视的微小泄漏或排放，从而为应对气候变化提供潜在帮助。

将递推采样应用于气体羽流的二维成像

光谱学是一项复杂的技术，科学家可以通过观察不同材料与光的相互作用来识别和测量它们。正如三棱镜能将白光分离成彩虹色一样，光谱学也能分离来自或穿过物质的光线，从而揭示其独特的“指纹”并提供有关性质和成分的宝贵信息。

NIST的研究人员创造了一种改进版的激光测量技术，称为双梳光谱法。这种新的方法是一种特别高分辨率的光谱学形式，可以同时对多种颜色的光进行精细检查。新的激光测量技术改进了旧方法，使科学家能够以惊人的精度控制激光脉冲时间。这种精确控制，使他们能够专注于样本指纹中最重要的部分，而忽略那些不能提供有用信息的区域。因此，更智能的系统可以比以前更快地检测和测量物质。

这种新方法有多种用途。例如，科学家可以利用它快速创建图像，显示气体在空间中的分布情况。另外，如果研究人员不知道他们正在调查的区域内到底有哪种气体，他们也可以使用一种叫做压缩采样的通用技术。这是一种“聪明”的测量方法，集中在可能有重要信息的区域，而在其他地方进行较少的测量。这种策略使整个过程的效率比传统方法高出10到100倍。

研究人员利用自由形式双梳光谱法制作出了像这样的二维甲烷云视频（截图）。深色区域表示甲烷含量很少或没有甲烷，而亮色区域则表示甲烷含量较多。由于可以快速拍照，这项技术可以实时显示甲烷云如何形成漩涡状图案和变化，这在以前是不可能实现的。这项技术可以很容易地进行调整，以寻找不同的气体，而不仅仅是甲烷

可视化气体羽流
这种技术可以快速生成各种气体云的详细图像。在这项研究中，研究人员创建了甲烷羽流的实时图像。甲烷是一种强烈的温室气体，会导致气候变化，因此能够有效检测和解决这些泄漏问题将有助于保护环境和改善空气质量。通过快速生成甲烷羽流图像，科学家们可以迅速确定气体泄漏的位置。这项技术不仅适用于检测温室气体，还适用于科学家需要识别和测量气体的任何情况。

两个激光器胜过一个
自由形式双梳光谱学的发音可能很拗口，但将其分解为几个部分并完美地结合在一起，就能更容易地理解这项技术的工作原理。这种方法的核心在于获得诺贝尔奖的光学频率梳。它是一种激光工具，能产生一系列等距、精确频率的光，就像梳齿一样。这些频率梳用途广泛，从精确计时到医疗诊断，甚至用于寻找难以捉摸的暗物质。

NIST研究人员Esther Baumann表示：系统的灵活性，意味着它可以适用于广泛的应用领域。未来，我们可能会在空气质量监测器、食品安全检测器、材料燃烧研究或非侵入式肌肉健康评估等各种领域，看到基于这项技术的更多功能和更高效的传感器。

这项技术中的“双梳”指的是使用两个光学频率梳共同工作。这种方法通过分析物质如何与来自两个梳状器的光相互作用，对物质进行快速、精确的测量。这种技术比单个梳状器快得多，而且能提供比许多传统光谱学方法更详细的信息。

“自由形式”指的是最近才有可能实现的高精度频率梳控制的灵活性。频率梳发出的光脉冲持续时间仅为100飞秒。在每个短暂的光脉冲中都有一个电场在快速振动，每秒振动数百万次。研究人员能够快速、准确地控制这种快速光，从而改进和调整测量方法。

双梳的下一次飞跃
在全球努力应对环境挑战和改进安全措施的需要之际，这种创新的激光技术提供了一种前景广阔的新工具。通过对气体和其他物质进行更智能的检测，这项技术在未来几年将在保护公众健康和环境方面发挥至关重要的作用。研究人员计划在实验室中继续改进他们的系统，使其速度更快，并使他们的方法适用于多种激光波长。