一種光子計數雙光梳光譜儀(yi) 。兩(liang) 束重複頻率稍有差異的鎖模飛秒激光脈衝(chong) 通過分束器被疊加在一起。其中一束（的能量）通過樣本後並在到達光子計數器之前會(hui) 被大幅削弱。這樣，探測到的光子的能量水平較削弱前低10億(yi) 倍，由此統計到的光子數據則攜帶了樣本高度複雜的光譜信息。 （圖片來源：馬克斯·普朗克量子光學研究所）

我們(men) 的眼睛僅(jin) 對三種光譜色帶（紅、綠、藍）敏感，當光線變得非常暗時人眼便不再能分辨它們(men) 。光譜學工作者能夠通過光波的頻率識別出更多色彩，並通過原子和分子的譜指紋來鑒別它們(men) 。在一項原理驗證實驗中，來自馬克斯·普朗克量子光學研究所（MPQ）和Ludwig-Maximilian大學(LMU)的Nathalie Picqué和Theodor Hänsch在近乎全黑的環境中記錄了大約10萬(wan) 種色彩對應的光譜。該實驗使用了兩(liang) 束鎖模飛秒激光和一個(ge) 單獨的光子計數器。實驗結果發表於(yu) 《美國國家科學院院刊》（PNAS）。

圖片來源：Pixabay

一束鎖模飛秒激光能夠產(chan) 生成百上千束頻率不同的峰值譜線。目前，這樣的光學頻率梳被廣泛用於(yu) 統計光波的振蕩，並用作光原子鍾的計時組件。2005年諾貝爾物理學獎頒發給Theodor Hänsch和John L. Hall後，頻率梳技術就一直受到重視。

過去15年間，就職於(yu) MPQ的Nathalie Picqué將頻率梳用作寬頻帶光譜學中的新方法。在她的雙光梳光譜學技術中，其中一束激光對應的所有“梳齒(*在頻域中由不同頻率構成的齒狀結構)”在很寬的頻帶內(nei) 同時與(yu) 樣本作用，另外一束頻率稍有差異的激光的梳齒在一個(ge) 快速光子探測器上與(yu) 之形成幹涉，並輸出幹涉信息。由這樣兩(liang) 束激光發出的成對梳齒，在探測器內(nei) 形成拍頻信號並由計算機記錄以進行後處理。樣本中所有的光譜結構都會(hui) 反映在拍頻信號的梳齒結構上，進而被重現。光信號的速度會(hui) 被大幅降低一個(ge) 係數，即激光重複頻率除以（這兩(liang) 束激光）重複頻率的差值。這一強大的光譜工具擁有近乎無限的光譜分辨率，可能用於(yu) 原子鍾校準，以及在無需掃描或機械運動部件的狀況下獲得高度一致的複雜光譜。

圖片來源：Pixabay

Picqué和Hänsch現已證實，雙光梳光譜儀(yi) 可以在極弱的光強環境下進行光子計數。利用光子計數器的統計信息可以發現幹涉信號，即便該信號的能量極低——平均每2000束激光脈衝(chong) 中才有一次。這種情況下，絕對不可能有分別來自這兩(liang) 束激光的兩(liang) 個(ge) 光子同時出現在探測路徑上。當然除非我們(men) 假設其中一個(ge) 光子在被探測之前就已經存在。

雙光梳光譜儀(yi) 可以在較一般使用環境弱10億(yi) 倍的光強環境下工作，這將是一個(ge) 新的方向。Nathalie Picqué說道：“可以將該方法拓展到能使用極弱頻率的光梳為(wei) 光源的光譜領域，比如極紫外線和軟X射線。目前光信號通過高衰減型材料或通過長距離反向散射來獲得。另外，也可以從(cong) 僅(jin) 產(chan) 生極弱信號的納米尺度樣本甚至單原子或單分子中提取雙光梳，這種情況下會(hui) 產(chan) 生極弱的熒光信號。”

Theodor Hänsch仍記得實驗室中幹涉信號首次出現在檢測器中的那一刻。“即便從(cong) 事激光光譜工作超過了50年，我仍感到十分激動。這實在是讓人難以置信，竟真的從(cong) 兩(liang) 束激光發射的大量梳齒和複雜的樣本譜中檢測到了單獨的光子。”

翻譯：張宇哲

審校：董子晨曦

引進來源：Max Planck Society

引進鏈接：https://phys.org/news/2020-10-scientists-broad-spectra-thousand-darkness.html


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