科学家开发出一种新型频率梳：20纳秒识别出分子

日前，美国科学家开发出一种新型频率梳，能在20纳秒（1纳秒即十亿分之一秒）的时间尺度上检测样本中是否存在特定分子。这种技术可使研究人员来更好地了解快速过程（如高超音速喷气发动机的工作过程）内的中间步骤。相关论文发表于最新一期《自然·光子学》杂志。

从监测温室气体浓度到检测呼吸中的新冠病毒，一种称为频率梳的激光系统可以前所未有的准确性和灵敏度识别出像二氧化碳一样简单、像单克隆抗体一样复杂的特定分子，但其在捕捉高速过程，如高超音速推进或蛋白质折叠成最终三维形状的过程时，却能力有限。

实验示意图

为开发出新型频率梳系统，美国国家标准与技术研究所（NIST）科学家使用了目前常见的双频梳设置，该设置包含两个激光束，它们协同工作来检测分子吸收的颜色光谱。大多数双频梳设置都包括两个飞秒激光器，它们同步发送一对超快脉冲。但研究团队使用了一种更简单、更便宜的“电光梳”设置，即一束连续光束首先被分成两束，然后电子调制器产生电场，电场改变每束光，将它们塑造成频率梳的单个“齿”，每个齿都是一种特定颜色（频率）的光，可被相应的分子吸收。

传统的频率梳可有数千甚至数百万个齿，而最新研究中的电光梳只有14个齿，这就使每个齿拥有更高的光功率，且频率与其他齿相距甚远，从而产生了清晰且强烈的信号，使研究人员能在20纳秒的时间尺度上检测到光吸收的变化。

研究人员指出，在像飞机发动机这样复杂的系统中，可使用这种方法观察水、燃料或二氧化碳的化学性质；还可通过观察信号的变化来测量压力、温度或速度等，从而改进内燃机的设计，或更好地了解温室气体如何与大气相互作用。

研究团队表示，最新方法的可调谐性、灵活性和速度为许多不同类型的测量打开了大门。

相关链接：https://www.nature.com/articles/s41566-023-01316-8