Innovativ sensingteknik kan forbedre drivhusgasanalyser

Et internationalt team af forskere har brugt en ukonventionel billeddannelsesteknik kendt som spøgelsesbilleddannelse til at foretage spektroskopiske målinger af et gasmolekyle. Den nye tilgang fra forskere ved Tampere University of Technology i Finland, University of Eastern Finland og University of Burgundy Franche-Comté i Frankrig, fungerer over en lang række bølgelængder og kan forbedre målinger af atmosfæriske drivhusgasser som metan.

I tidsskriftet The Optical Society (OSA). Optik bogstaver , forskerne rapporterer deres tilgang til at udvide spøgelsesbilledteknikker til at producere meget effektive spektrale målinger, der afslører information om den kemiske sammensætning af et gasmolekyle. De opnår dette ved at bruge spøgelsesbilleder med en superkontinuum lyskilde, at fange det bølgelængdeafhængige lys transmitteret gennem prøver og demonstrere, at teknikken kan måle den spektrale signatur af drivhusgassen metan med subnanometer opløsning.

"Overvågning af atmosfæriske drivhusgasser som metan, carbondioxid, lattergas og ozon er vigtig for at vurdere, hvordan ændrede niveauer af disse gasser relaterer til klimaændringer, " sagde Caroline Amiot, et forskergruppemedlem fra Tampere University of Technology. "Under nogle særlige omstændigheder, vores metode kunne muliggøre mere følsom påvisning af drivhusgasser, at give mere præcise oplysninger om disse vigtige kemiske forbindelser. "

Spøgelsesbilleddannelse producerer billeder ved at korrelere intensiteten af ​​to lysstråler, der, taget individuelt, ikke har nogen meningsfuld information om objektets form, men i stedet tillade indirekte slutninger om dens egenskaber. Denne tilgang kan eliminere nogle af de forvrængninger, der er forbundet med typiske billeddannelsessystemer i barske miljøer, og er blevet brugt til at skabe billeder i høj opløsning af fysiske objekter og, for nylig, at gendanne krypterede ultrahurtige signaler på picosekunders tidsskalaer.

Gasmolekyler er ofte sparsomme og ændrer dermed kun den totale lystransmittans med en lille mængde. Det betyder, at der generelt er brug for kraftige lyskilder eller ekstremt følsomme detektorer for at detektere dem.

"Fordi vores teknik fungerer ved at detektere et integreret signal, der indeholder mange bølgelængder - i modsætning til en bølgelængde som traditionelle spektroskopimetoder - muliggør den målinger ved hjælp af mindre kraftige lyskilder og ved bølgelængder, hvor meget følsomme detektorer ikke er tilgængelige, "sagde Amiot.

Spektral spøgelsesbilleddannelse Spøgelsesbilleder skaber et spektralt billede, som kan indeholde et objekts transmissions- eller refleksionsspektrum, ved at korrelere to arme af en lysstråle:den ene, der koder for et tilfældigt mønster, der fungerer som en sonderende reference, og den anden, der belyser prøven. Den nye spøgelsesbillede -tilgang bruger en superkontinuum lyskilde, som udsender pulser, der hver indeholder mange bølgelængder af lys. Forskerne brugte de tilfældige udsving, der opstår mellem de spektre, der er forbundet med på hinanden følgende impulser, til at skabe den reference, der er nødvendig for at udføre spektral spøgelsesbillede.

Lyset, der transmitteres gennem en prøve, registreres derefter med en hurtig detektor uden spektral opløsning, der giver et integreret signal for alle bølgelængderne i den spektrale båndbredde, der overvejes. Billedet starter med at ligne en støjende klat, men når det først er korreleret med referencespektrale fluktuationer, spektralbilledet begynder at dukke op.

"Det er muligt at rekonstruere det spektrale billede uden at sende store mængder lys gennem prøven, "sagde Amiot." Dette kan være meget gavnligt for lysfølsomme prøver, for eksempel."

Genererer et stærkere signal

For at måle gasser i atmosfæren har det traditionelt været nødvendigt at sende laserlys med høj effekt til atmosfæren, hvor den interagerer med gassen. "For at måle hvilken gas der er til stede og i hvilken mængde, det meget svage lyssignal, der kommer tilbage, skal yderligere opdeles i forskellige bølgelængder til påvisning, " sagde Amiot. "Dette kan være problematisk, når signalet er meget svagt. Vores metode registrerer alle bølgelængder blandet sammen, skaber et meget stærkere signal, der tillader mere følsomme målinger. "

Forskerne testede deres teknik ved at bruge den til at producere et spektralbillede af metan. Spøgelsesbilledmålingerne reproducerede perfekt rækken af ​​diskrete absorptionslinjer, der er fingeraftryk af metan, og matchede godt med mere konventionelle direkte spektroskopimålinger, som forskerne udførte til sammenligning.

Forskerne arbejder nu på at kontrollere spektraludsvingene ved hjælp af forprogrammerbare lyskilder, der ville fjerne behovet for at måle referencespektrale mønstre. De arbejder også på at bruge spektral-domæne spøgelsesbilleder med en optisk kohærens tomografi opsætning, som kunne tillade følsom information at få fra væv eller andre biologiske prøver uden at bruge skadelige mængder lys.