研究人员开发出一种新的超快激光平台，可产生具有前所未有的一百万条梳状线的超宽带紫外（UV）频率梳，提供卓越的光谱分辨率。这种新方法还能产生极其精确和稳定的频率，可增强高分辨率原子和分子光谱学。
光学频率梳能发出数千条间隔规则的光谱线，它改变了计量学、光谱学和通过光学原子钟进行精确计时等领域，并因此获得了2005年诺贝尔物理学奖。
最初的频率梳在可见光到近红外范围内工作。推出后不久，通过光学谐波发生技术，其光谱范围扩展到紫外区，为精密激光光谱学打开了一个新的光谱领域。
中佛罗里达大学光学与光子学院 CREOL 的研究小组组长 Konstantin Vodopyanov 说：“尽管如此，在紫外范围内实现宽带覆盖和高光谱分辨率仍然是一个相当大的挑战。”
在《Optica》杂志上，研究人员介绍了他们的高分辨率双梳光谱系统，该系统可产生两个超宽紫外光谱区的光。频率梳的线间距仅为80MHz，分辨率高达1000万。
新方法产生极其准确和稳定的频率，可以显著提高精确计时和高分辨率原子和分子光谱。
Vodopyanov说：“宽带、高分辨率紫外光谱技术为了解原子和分子中的电子跃迁提供了独特的视角，使其在化学分析、光化学、大气痕量气体传感和系外行星探测等应用中具有无价之宝的价值，在这些应用中，同时探测大量吸收特征是至关重要的。”
双梳光谱
为了将包含一百万条紧密间隔光谱线的紫外频率梳用于光谱学应用，研究人员需要一种能够实现高光谱分辨率的方法--超越现有光谱仪的能力。
双梳光谱法能够精确细化UV梳状线结构
他们采用了双梳光谱法，这是一种功能强大的新技术，它在单个探测器上结合了两个线间距略有不同的频率梳，产生干涉图。通过傅立叶变换，可以重建整个光谱，具有极高的光谱分辨率和快速的数据采集能力。
Vodopyanov 说：“尽管在过去十年中，双梳光谱学在中红外和太赫兹区域取得了重大进展，但在紫外光谱范围仍存在明显差距，现有的演示在分辨率、带宽或两者方面都存在不足。”
为了应对这一挑战，研究人员开发了一种激光平台，可以产生波长为2.4微米的高度相干超快红外脉冲。
利用非线性晶体，他们产生了第 6 次和第 7 次谐波，从而产生了两个紫外波段：第6次谐波覆盖了约100万条光谱分辨梳状线，第7次谐波包含了约55万条梳状线。这样就产生了两个紫外光谱范围，分别为 372~410 纳米和 325~342 纳米。
为了实现双梳状光谱，他们复制了宽带紫外频率梳状系统，从而进一步完善了紫外梳状结构
精确的光谱线
通过将光谱线与原子钟进行参照，研究人员确保他们能够进行高精度的光谱测量，以满足最苛刻的应用要求。
作为演示，他们使用双梳光谱系统测量了 IPG/OptiGrate 制造的体布拉格光栅镜的窄反射光谱。研究人员称，新系统实现了10,000,000的分辨率，远远优于现有的光栅和傅立叶光谱仪。
下一步，研究人员的目标是将这项技术扩展到更深的紫外区域，波长可能达到100纳米。
相关链接：https://phys.org/news/2024-10-broadband-uv-frequency-unprecedented-spectral.html
论文链接：https://dx.doi.org/10.1364/OPTICA.536971