Ett internationellt team av forskare har använt en okonventionell bildteknik som kallas spökbildning för att göra spektroskopiska mätningar av en gasmolekyl. Det nya tillvägagångssättet från forskare vid Tammerfors tekniska universitet i Finland, universitetet i Östra Finland och universitetet i Bourgogne Franche-Comté i Frankrike, fungerar över ett brett spektrum av våglängder och kan förbättra mätningar av atmosfäriska växthusgaser som metan.

I tidskriften The Optical Society (OSA) Optikbokstäver , forskarna rapporterar sitt tillvägagångssätt för att utöka spökbildningstekniker för att producera mycket effektiva spektralmätningar som avslöjar information om den kemiska sammansättningen av en gasmolekyl. De uppnår detta genom att använda spökbildning med en superkontinuum ljuskälla, att fånga det våglängdsberoende ljuset som överförs genom prover och visa att tekniken kan mäta växthusgassmetans spektral signatur med subnanometerupplösning.

"Övervakning av atmosfäriska växthusgaser som metan, koldioxid, lustgas och ozon är viktigt för att bedöma hur förändrade nivåer av dessa gaser förhåller sig till klimatförändringar, sa Caroline Amiot, en forskargruppsmedlem från Tammerfors tekniska universitet. "Under vissa specifika omständigheter, vår metod kan möjliggöra mer känslig detektering av växthusgaser, ge mer exakt information om dessa viktiga kemiska föreningar. "

Spökbildning producerar bilder genom att korrelera intensiteten hos två ljusstrålar som, tas individuellt, inte ha någon meningsfull information om objektets form, men istället tillåta indirekta slutsatser om dess egenskaper. Detta tillvägagångssätt kan eliminera några av de snedvridningar som är förknippade med typiska bildsystem i tuffa miljöer och har använts för att skapa högupplösta bilder av fysiska föremål och, på senare tid, för att återställa förvrängda ultrasnabba signaler på tidpunkterna för picosekunder.

Gasmolekyler är ofta glesa och ändrar därmed bara den totala ljustransmittansen med en liten mängd. Detta innebär att kraftfulla ljuskällor eller extremt känsliga detektorer i allmänhet behövs för att detektera dem.

"Eftersom vår teknik fungerar genom att detektera en integrerad signal som innehåller många våglängder - i motsats till en våglängd som traditionella spektroskopimetoder - möjliggör den mätningar med mindre kraftfulla ljuskällor och vid våglängder där mycket känsliga detektorer inte är tillgängliga, sa Amiot.

Spektral spökbildning Spökbildning skapar en spektral bild, som kan innehålla ett objekts överförings- eller reflektionsspektrum, genom att korrelera två armar i en ljusstråle:en som kodar för ett slumpmässigt mönster som fungerar som en sonderande referens och den andra som belyser provet. Den nya metoden för spökbildning använder en superkontinuum ljuskälla, som avger pulser som var och en innehåller många våglängder av ljus. Forskarna använde slumpmässiga fluktuationer som uppstår mellan spektren som är associerade med på varandra följande pulser för att skapa den referens som är nödvändig för att utföra spektrala spökbilder.

Ljuset som överförs genom ett prov avkänns sedan med en snabb detektor utan spektral upplösning som ger en integrerad signal för alla våglängder för den spektrala bandbredden som övervägs. Bilden börjar se ut som en bullrig klump, men när det väl är korrelerat med referensspektralfluktuationerna, spektralbilden börjar dyka upp.

"Det är möjligt att rekonstruera den spektrala bilden utan att skicka stora mängder ljus genom provet, "sa Amiot." Detta kan vara mycket fördelaktigt för ljuskänsliga prover, till exempel."

Genererar en starkare signal

Mätningar av gaser i atmosfären har traditionellt krävt att laserljus med hög effekt skickas in i atmosfären, där den interagerar med gasen. "För att mäta vilken gas som finns och i vilken mängd, den mycket svaga ljussignalen som kommer tillbaka måste delas upp ytterligare i olika våglängder för detektion, "sa Amiot." Detta kan vara problematiskt när signalen är mycket svag. Vår metod detekterar alla våglängder blandade tillsammans, skapa en mycket starkare signal som tillåter mer känsliga mätningar. "

Forskarna testade sin teknik genom att använda den för att producera en spektral bild av metan. Spökebildmätningarna reproducerade perfekt serien av diskreta absorptionslinjer som är metans fingeravtryck och matchade väl med mer konventionella direktspektroskopimätningar som forskarna utförde för jämförelse.

Forskarna arbetar nu med att kontrollera spektralfluktuationerna med hjälp av förprogrammerbara ljuskällor som skulle ta bort behovet av att mäta referensspektralmönstren. De arbetar också mot att använda spökdomäner med spökbildning med en optisk koherens-tomografiuppställning, som kan göra det möjligt att få känslig information från vävnad eller andra biologiska prover utan att använda skadliga mängder ljus.