Усиление лазерных импульсов (белый) и молекулярных откликов (красный) в пассивном оптическом резонаторе. Кредит: Кристиан Хакенбергер

Чувствительные носы животных могут вынюхивать следовые частицы, такие как летучие органические соединения, в окружающем воздухе. С другой стороны, люди разрабатывают для этой цели инновационные технологии, такие как оптическая спектроскопия. Он использует лазерный свет для определения молекулярного состава газов. Это открывает возможность даже превзойти эти «обонятельные» успехи — в том числе и для веществ, которые носы животных вообще не могут воспринимать.

Сегодня «обонятельная сила» спектроскопии еще не использует свой потенциал. Принцип заключается в том, что если молекулы облучаются лазерным светом, они начинают характерно вибрировать, а также излучают свет. Однако при низких концентрациях это излучение очень слабое. Группа ученых во главе с приват-доцентом доктором Иоахимом Пупеза в составе команды Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана (LMU) и Института квантовой оптики имени Макса Планка (MPQ) в сотрудничестве с учеными из Университета Британской Колумбии и Института Лейбница. Институт фотонных технологий в Йене в настоящее время демонстрирует способ усиления излучения молекул, следующего за возбуждением, что значительно улучшает «обоняние» молекулярной лазерной спектроскопии.

Когда музыкант дергает за гитарную струну, она начинает вибрировать и издавать звук с высотой, тембром и модуляцией, характерными для инструмента. То же самое происходит, когда молекула газа «сталкивается» с ультракоротким лазерным импульсом: она поглощает часть энергии лазерного импульс. Его атомы начинают вибрировать. Вместо звуковой волны молекула излучает характерную оптическую волну, которую можно обнаружить спектроскопически. Этот сигнал содержит информацию о молекулярном составе газа. К сожалению, эта «музыка молекул» очень нежная. Это связано с тем, что лишь небольшая часть энергии, содержащейся в импульсе, преобразуется в медленно затухающие световые волны, содержащие эту ценную информацию.

Временно перекрывающиеся лазерные импульсы

Исследователи из команды attoworld из MPQ и LMU в сотрудничестве с учеными из Университета Британской Колумбии и Института фотонных технологий им. Лейбница в Йене нашли способ усилить молекулярный отклик на повторяющиеся ультракороткие лазерные импульсы в так называемой молекулярной области спектра отпечатков пальцев. В спектральной области отпечатков пальцев органические молекулы имеют свои характерные резонансы. Для этого физики отправили импульсы в оптический резонатор наполненный газом. В резонаторе пучок лазерных импульсов направляется обратно в себя через несколько зеркал, так что импульсы начинают временно перекрываться со своими предшественниками и последователями. Это усиливает импульсы и молекулярные ответы. Лазерные физики Attoworld теперь впервые соединили эти оптические формы сигналов усиленных молекулярных откликов из полости и взяли их образцы с помощью спектроскопии с полевым разрешением.

Прежде чем это стало возможным, необходимо было преодолеть ряд проблем. «До сих пор пассивные оптические резонаторы могли покрывать полосу пропускания менее 20% от центральной оптической частоты и в основном работали в ближнем инфракрасном диапазоне», — объясняет Филипп Зульцер, один из ведущих авторов исследования.

«Однако, чтобы покрыть значительную часть диапазона отпечатков пальцев в среднем инфракрасном диапазоне, нам пришлось переосмыслить, какие оптические элементы и механизмы блокировки можно использовать для построения резонатора. Кроме того, ультракороткие импульсы для спектроскопии с полевым разрешением не должны менять форму их волны во время одного оборота через резонатор», — добавляет Максимилиан Хёгнер, другой ведущий автор исследования. Наконец, физики-лазерщики нашли конфигурацию, состоящую из четырех зеркал с золотым покрытием, воздуха с регулируемой влажностью и клиновидной алмазной пластины для направления света в резонатор и из него. Их подход позволяет увеличить энергию, содержащуюся в молекулярном ответе, отстающем от импульсного возбуждения, более чем в 500 раз.

Повышает шансы достоверно выявить заболевания

«Новая измерительная установка сочетает в себе нашу предыдущую работу по увеличению полостей с нашим опытом в спектроскопии с полевым разрешением. Результаты открывают перспективы для широкополосной газовой спектроскопии с чувствительностью от одной до триллиона частиц. В то же время из-за сравнительно узкого поглощения линий в газовой фазе, этот метод предлагает большой потенциал для сложных газовых смесей, таких как дыхание человека., в котором некоторые компоненты присутствуют в очень высоких концентрациях, а некоторые — в очень низких концентрациях, — объясняет Иоахим Пупеза. неинвазивные методы мониторинга терапии».