科学家在几乎完全黑暗的条件下实现多色光谱记录

我们的眼睛只对三个光谱色带（红、绿、蓝）敏感，如果颜色变得很暗，人们就无法分辨颜色。分光镜学家可以通过光波的频率来识别更多的颜色，并且可以通过光谱指纹来区分原子和分子。在一个原理验证实验中，来自马克斯普朗克量子光学研究所（MPQ）和路德维希马克西米利安大学（LMU）的Nathalie Picqué和Theodor Hansch现在已经在几乎完全黑暗的情况下记录了近10万种颜色的宽光谱。实验采用了两个锁模飞秒激光器和一个单光子计数探测器。

锁模飞秒激光器发射出数十万条频率均匀的尖锐谱线。这种激光频率梳现在被广泛用于计算激光波的振荡，它们在光学原子钟中起到了钟表的作用。频率梳技术在2005年诺贝尔物理学奖授予Theodor Hansch 和 John L. Hall时备受关注。

上图所示为光子计数双梳状光谱仪。两束脉冲重复频率略有不同的锁模飞秒激光束与分束器叠加。一个输出在通过样品到达光子计数探测器之前被高度衰减。在比通常使用的弱10亿倍的功率水平下，探测到的光子的统计信息携带着样品的信息，其光谱可能非常复杂。

在过去的15年里，马普所的Nathalie Picqué已经利用频率梳来实现宽带光谱的新方法。在她的双梳状光谱技术中，一个激光器的所有梳状线在一个很宽的光谱范围内同时质询一个样品，第二个激光的梳状线以稍有不同的间距干扰一个快速的光电探测器进行读出。一对梳状线，每一个激光器，在探测器信号中产生射频拍音符。这些射频信号可以用计算机数字化和处理。样品中的任何光谱结构在射频信号的梳状物中以相应的模式再现。激光重复频率除以重复频率差的大因数可以有效地降低光信号的速度。这种强大的光谱分析工具的独特优势包括几乎无限的光谱分辨率、可能的原子钟校准以及无需扫描或机械运动部件即可获得高度一致的复杂光谱。

Picqué和Hänsch现在已经证明了双梳状光谱可以扩展到光子计数领域中极低的光强度。在光子计数探测器的点击次数统计中可以观察到干涉信号，即使功率很低，平均在2000个激光脉冲的时间内只有一次点击。在这种情况下，两个光子（每个激光器一个）在探测路径中同时出现的可能性极小。如果我们假设光子在探测之前就存在，那么这个实验就无法直观地解释。

在比通常使用的低10亿倍的光强度下工作的能力为双梳状光谱学开辟了有趣的新前景。Nathalie Picqué说，“这种方法现在可以扩展到光谱区域，在那里可以获得最多微弱的频率梳形源，例如极端紫外线或软X射线区域。光谱信号可以通过高度衰减的材料或通过长距离的后向散射获得。从纳米样品中提取双梳状光谱到只产生微弱荧光信号的单个原子或分子是可行的。”

Theodor Hänsch记得在实验室里，当探测器点击的统计数据中第一次出现干扰模式时，“我感到很激动。即使在激光光谱学领域工作了50多年，在我看来，单次探测到的光子可以‘感知’这两个具有大量梳状线的激光器和样品的复杂光谱，也是让人惊讶不已！”

原文链接：https://phys.org/news/2020-10-scientists-broad-spectra-thousand-darkness.html