紫外光谱学的突破性进展

德国马克斯·普朗克量子光学研究所的研究人员成功开发了一种新技术，用于同时检测和精确量化许多物质的光学和物质性质，并且具有高度的化学选择性。该技术可以在极微弱的光水平下探测紫外光谱区中的原子和分子。这一突破为在低光条件下进行实验打开了新的可能性，为光子级诊断的新应用铺平了道路，如用于基础物理学的单个原子或分子的精密光谱学以及地球大气或太空望远镜中的紫外光化学。相关工作已发表在科学期刊《自然》上。

紫外光谱学在研究原子的电子跃迁和分子的转动-振动跃迁中起着至关重要的作用。这些研究对于基础物理学的测试、量子电动力学理论、基本常数的确定、精密测量、光钟、大气化学和天体物理学中的高分辨率光谱学以及强场物理都是必不可少的。马克斯·普朗克量子光学研究所内纳塔莉·皮凯领导的科学家团队通过成功将高分辨率线性吸收双频梳光谱法应用到紫外光谱范围，取得了该领域的重大进展，为在低光条件下进行实验开辟了新的可能性，为在各种科学和技术领域中的新应用铺平了道路。

双频梳光谱法是一种用于广泛光谱带宽上的精密光谱学的强大技术，主要用于气相中小分子的红外线性吸收。它依赖于测量两个略有不同重复频率的频率梳之间的时间相关干涉。频率梳是一种均匀间隔的、相位相干的激光线光谱，可以像尺子一样以极高的精度测量光的频率。双频梳技术不会受到传统光谱仪的几何限制，并且具有高精度和准确度的潜力。

然而，双频梳光谱法通常需要强烈的激光束，这使其在低光水平至关重要的情况下不太适用。马克斯·普朗克量子光学研究所的团队现在实验证明，双频梳光谱法可以在功率更比通常使用的低百万倍的星ved-light条件下有效地应用。他们利用两种不同类型的频率梳产生器实现了这一突破。该团队开发了一个能够准确记录光子计数统计的光子级干涉仪，展示了接近基本极限的信噪比。这一成就突显了为实验充分利用现有光的优势，并开拓了双频梳光谱在低光条件下的前景。

马克斯·普朗克量子光学研究所的研究人员解决了产生紫外频率梳和构建具有长相干时间的双频梳干涉仪所面临的挑战，为实现这一令人向往的目标铺平了道路。他们精确控制了两个梳式激光的相互相干性，每条激光线的功率为飞秒，展示了在超过一小时的时间内积累了其干扰信号的计数统计的最佳结果。“我们对低光干涉学的创新方法克服了非线性频率转换效率低的挑战，为将双频梳光谱法扩展到甚至更短波长的光谱奠定了坚实基础。”领导实验的博士后科学家徐炳欣评论道。

事实上，一个激动人心的未来应用是在短波长上开发双频梳光谱法，以实现广泛光谱跨越的精密真空和极端紫外分子光谱学。当前，宽带极端紫外光谱学在分辨率和准确度上存在局限，并依赖于专门设施的独特仪器。“紫外双频梳光谱学虽然是一个具有挑战性的目标，但由于我们的研究成果，现在已经成为一个现实目标。重要的是，我们的研究结果将双频梳光谱法的全部能力扩展到低光条件，为精密光谱学、生物医学感测和环境大气声纳中的新应用打开了前景。”纳塔莉·皮凯总结道。