新型光频梳可以在20纳秒快照中识别分子

图：基于OPO的中红外双梳光谱仪用于检测超音速脉冲射流的仪器原理图。资料来源: Nature Photonics, (2023).  DOI:10.1038/s41566-023-01316-8

       从监测温室气体浓度到检测呼吸中的COVID，被称为频率梳的激光系统能够以前所未有的准确性和灵敏度识别简单如二氧化碳的特定分子和复杂如单克隆抗体的特定分子。然而，尽管频率梳令人惊叹，但它们在捕捉高速过程(如高超音速推进或将蛋白质折叠成最终的三维形状)的速度上受到了限制。

       现在，美国国家标准与技术研究院(NIST)、Toptica Photonics AG和University of Colorado Boulder的研究人员开发了一种频率梳系统，可以每20纳秒(即十亿分之一秒)检测样品中特定分子的存在。

       有了这种新能力，研究人员可以利用频率梳更好地理解从高超音速喷气发动机的工作到调节细胞生长的酶之间的化学反应等快速移动过程中的瞬间中间步骤。研究小组在Nature Photonics上发表的一篇论文中展示了他们的研究结果。

       在他们的实验中，研究人员使用了现在常见的双频梳装置，它包含两个激光束，它们一起工作来检测分子吸收的光谱。大多数双频梳装置都包括两个飞秒激光器，它们同步发出一对超快脉冲。

       在这个新实验中，研究人员使用了一种更简单、更便宜的装置，称为“电光梳”，在这种装置中，一束连续的光首先被分成两束。然后，电子调制器产生电场，改变每个光束，将它们塑造成频率梳的单个“齿”。每个梳齿都是一种特定颜色或频率的光，然后可以被感兴趣的分子吸收。

       传统的频率梳子可以有数千甚至数百万个齿，而研究人员的电光梳子在一次典型的实验中只有14个齿。然而，结果是，每个齿都有更高的光功率，并且在频率上梳齿之间差距较远，从而产生了清晰、强烈的信号，使研究人员能够在20纳秒的时间尺度上检测到光吸收的变化。

       在他们的演示中，研究人员使用该仪器测量了从一个充满空气的房间的小喷嘴中产生的二氧化碳的超音速脉冲。他们测量了二氧化碳的混合比例，即空气中二氧化碳的比例。二氧化碳浓度的变化告诉研究人员脉冲的运动。研究人员观察了二氧化碳如何与空气相互作用，并在其尾迹中产生气压振荡。即使使用最复杂的计算机模拟，也很难准确地获得这些细节。

       “在像飞机发动机这样更复杂的系统中，我们可以使用这种方法来观察特定的感兴趣的物质，比如水、燃料或二氧化碳，来观察化学反应。我们还可以通过观察信号的变化来使用这种方法来测量诸如压力、温度或速度之类的东西，”NIST研究化学家David Long说。从这些实验中获得的信息可以为内燃机的设计改进提供见解，或者更好地了解温室气体如何与大气相互作用。

       该装置中有一个特殊的部件，被称为光学参量振荡器，用于将梳子齿从近红外颜色转换为被二氧化碳吸收的中红外颜色。但是光学参量振荡器也可以调谐到中红外的其他区域，这样梳就可以探测到在这些区域吸收光的其他分子。

       “这项工作的真正特别之处在于，它大大降低了那些想要使用频率梳来研究快速过程的研究人员的进入门槛，”合著者Greg Rieker说。

       “有了这个设置，你可以生成任何你想要的梳子。这种方法的可调性、灵活性和速度为许多不同类型的测量打开了大门，”Long说。

[1] Long, D.A. et al. Nanosecond time-resolved dual-comb absorption spectroscopy, Nature Photonics (2023). DOI: 10.1038/s41566-023-01316-8. www.nature.com/articles/s41566-023-01316-8/

来源：National Institute of Standards and Technology