Новая техника визуализации призраков улучшает измерения молекул газа

• Новый метод визуализации призрачных изображений позволяет с гораздо большей точностью определить, какой газ присутствует в атмосфере и в каком количестве.
• Для работы не требуются сверхчувствительные детекторы и мощные источники света.

Измерение парниковых газов в атмосфере, таких как углекислый газ, метан, озон и закись азота, имеет решающее значение для изучения того, как изменение количества этих газов влияет на изменение климата. Они измеряются либо путем постоянного использования стационарного оборудования и спутников, отслеживающих текущие концентрации, либо путем сбора проб воздуха в колбе и последующего их анализа в лаборатории.

Теперь группа исследователей из Университета Восточной Финляндии, Технологического университета Тампере и Университета Бургундии во Франции разработала новый подход к проведению спектроскопических измерений различных молекул газа. Они называют это техникой призрачной визуализации.

По сравнению с существующими методами визуализации этот новый подход может раскрыть химический состав молекулы газа с гораздо большей точностью. В некоторых случаях это может обеспечить более точную идентификацию парниковых газов.

Как это работает?

Призрачное изображение работает в широком диапазоне длин волн, улучшая мониторинг газов, присутствующих в атмосфере, включая метан и углекислый газ. Он работает с источником света суперконтинуума (излучает импульсы с несколькими длинами волн) для отображения света на основе длины волны, проходящего через образцы воздуха, и измеряет спектральный отпечаток молекулы газа с субнанометровым разрешением.

Этот новый метод генерирует изображения, связывая интенсивность двух разных лучей, которые не содержат данных о форме объекта, но позволяют косвенно определять его характеристики. В экстремальных условиях он может устранять искажения (не все), наблюдаемые в обычных системах визуализации, и может восстанавливать зашифрованные сигналы за пикосекунды (10 ⁻¹² секунд) шкалы времени.

Поскольку молекулы газа в основном рассеяны, они лишь незначительно изменяют пропускаемый свет. Таким образом, для их обнаружения требуются очень чувствительные инструменты и мощные источники света.

Ссылка:Оптическое общество | DOI:10.1364 / OL.43.005025

В отличие от традиционных методов визуализации, которые идентифицируют сигналы одной длины волны, метод фантомной визуализации обнаруживает интегрированный сигнал, состоящий из нескольких длин волн. Поэтому он работает даже там, где недоступны чрезвычайно чувствительные детекторы и мощные источники света.

Более конкретно, он генерирует спектральное изображение (которое содержит спектр отражения или пропускания объекта) путем корреляции 2 лучей:первый луч кодирует случайный образец, который ведет себя как эталон зондирования, в то время как другой луч освещает образец. Чтобы сгенерировать эталон, необходимый для получения спектрального «фантомного изображения», авторы использовали случайные флуктуации, возникающие между последовательными плюсовыми спектрами.

Изображение предоставлено НАСА

Затем пучок, прошедший через образец, анализируется детектором без спектрального разрешения. После сопоставления его с эталонными спектральными флуктуациями они получили четкое представление спектрального изображения.

Тестирование

Чтобы протестировать этот новый метод, они использовали его для создания спектральной картины метана. Он точно воссоздал последовательность дискретных линий поглощения, которые представляют собой метан. Они также сравнили результаты с традиционными измерениями прямой спектроскопии:результаты обоих методов хорошо совпали.

Читайте:Просвечивающий электронный микроскоп теперь может видеть наночастицы в 4D

В настоящее время авторы экспериментируют с устройствами с заранее программируемыми источниками света, чтобы управлять спектральными флуктуациями. Это устранило бы необходимость измерения эталонных спектральных картин. Кроме того, они пытаются интегрировать эту технологию с установкой оптической когерентной томографии, которая позволила бы им извлекать конфиденциальные данные из различных биологических образцов, включая ткани, без воздействия на них вредных лучей.