Революционное призрачное визуализирование повышает точность измерений атмосферных газов

• Новый метод призрачной визуализации измеряет, какой газ присутствует в атмосфере и в каком количестве, с гораздо лучшей точностью.
• Он не требует экстремально чувствительных детекторов и мощных источников света для работы.

Измерение парниковых газов в атмосфере, таких как углекислый газ, метан, озон и оксид азота, критично для изучения того, как изменяющиеся количества этих газов влияют на изменение климата. Они измеряются либо непрерывным использованием стационарного оборудования и спутников, мониторящих текущие концентрации, либо сбором воздучных образцов в колбах и последующим их анализом в лаборатории.

Теперь команда исследователей из Восточно-Финландского университета, Тамперского технологического университета и Бургундского университета во Франции придумала новый подход для проведения спектроскопических измерений различных газовых молекул. Они называют его техникой призрачной визуализации (Ghost Imaging).

По сравнению с существующими техниками визуализации, этот новый подход может раскрыть химический состав газовой молекулы с гораздо лучшей точностью. В некоторых случаях он может обеспечить более чувствительную идентификацию парниковых газов.

Как это работает?

Призрачная визуализация работает в широком диапазоне длин волн, улучшая мониторинг газов, присутствующих в атмосфере, включая метан и углекислый газ. Она работает с суперконтинуумным источником света (излучающим импульсы с множественными длинами волн) для визуализации передачи света, основанной на длине волны, через воздучные образцы и измерения спектрального отпечатка газовой молекулы с субнанометровым разрешением.

Эта новая техника генерирует изображения, ассоциируя интенсивность 2 разных пучков, которые не содержат данных о форме объекта, но позволяют косвенные интерфейсы о его характеристиках. В экстремальных условиях она может устранять искажения (не все), наблюдаемые в конвенциональных системах визуализации, и восстанавливать зашумленные сигналы на пикосекундных (10⁻¹² секунд) временных масштабах.

Поскольку газовые молекулы в основном рассеяны, они изменяют проходящий свет только на крошечное количество. Таким образом, это требует очень чувствительных инструментов и мощных источников света для их обнаружения.

Источник: The Optical Society | doi:10.1364/OL.43.005025

В отличие от конвенциональных методов визуализации, которые идентифицируют сигналы одной длины волны, техника призрачной визуализации детектирует интегрированный сигнал, состоящий из нескольких длин волн. Поэтому она работает даже там, где экстремально чувствительные детекторы и мощные источники света недоступны.

Более конкретно, она генерирует спектральную картину (содержащую спектр отражения или передачи объекта) путем корреляции 2 пучков: первый пучок кодирует случайный паттерн, который ведет себя как зондирующая референция, в то время как другой пучок освещает образец. Для генерации референции, необходимой для получения спектрального «призрачного изображения», авторы использовали случайные флуктуации, происходящие между последовательными спектрами импульсов.

Источник изображения: NASA

Затем пучок, переданный через образец, анализируется через детектор без спектрального разрешения. После корреляции с референсными спектральными флуктуациями они получили четкий вид спектрального изображения.

Тестирование

Для тестирования этой новой техники они использовали ее для генерации спектральной картины метанового газа. Она точно воссоздала последовательность дискретных линий поглощения, которые представляют идентичность метана. Они также сравнили результаты с традиционными прямыми спектроскопическими измерениями: результаты от обеих техник хорошо совпали.

Читайте также: Трансмиссионный электронный микроскоп теперь может видеть наночастицы в 4D

В настоящее время авторы экспериментируют с предварительно программируемыми устройствами источника света для управления спектральными флуктуациями. Это устранит необходимость измерения референсных спектральных паттернов. Также они пытаются интегрировать эту технологию с установкой оптической когерентной томографии, что позволит им извлекать чувствительные данные из различных биологических образцов, включая ткани, без воздействия на образцы вредных лучей.