В настоящее время оптическая абсорбционная спектроскопия является мощным инструментом, используемым для самого разнообразного практического применения в физике, химии, биологии и медицине. Но чаще всего исследователям приходится искать компромисс между точностью и скоростью исследований, а также шириной охватываемого экспериментом диапазона частот. В своей последней работе ученые из США продемонстрировали, что в широком диапазоне частот точность абсорбционной спектроскопии может быть существенно увеличена относительно распространенных экспериментальных методик; в этом случае она ограничена только квантовым шумом.

Спектры поглощения уже несколько десятилетий используются для изучения структуры и динамики атомов и молекул. В фундаментальных областях они позволяют получить информацию о термодинамических и кинетических свойствах, а в прикладных – отлично работают в качестве аналитических инструментов, позволяющих определить присутствие конкретных молекулярных соединений и их концентрацию в исследуемом образце.

Для использования абсорбционной спектроскопии было разработано и успешно применяется множество экспериментальных подходов. При этом используемые источники света, конфигурации образцов и техники захвата фотонов «на выходе» экспериментальной установки существенно различаются между собой, в зависимости от интересующего ученых диапазона частот и целей эксперимента. Все эти методы позволяют сделать один вывод:

не существует универсальной техники и исследовательского метода, который удовлетворил бы запросы всех практических приложений абсорбционной спектроскопии.

Всегда необходимо искать компромисс между шириной исследуемого спектра, разрешением, чувствительностью и временем, необходимым для сбора данных. Одновременно с этим новые цели, поставленные учеными в молекулярной физике, требуют новых методик, сочетающих в себе скорость, высокое спектральное разрешение, широкий охват спектра и высокую чувствительность обнаружения и точного измерения оптических частот.

Решая эту проблему, совместная группа исследователей из National Institute of Standards and Technology и University of Colorado (США) предложила свою технологию исследований, точность которой, по их словам, ограничена только квантовым шумом. Детали работы ученых были опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Хорошими источниками света для абсорбционной спектроскопии стали разработанные в последнее время лазеры, формирующие так называемые частотные гребенки. Эти устройства можно назвать эквивалентом миллионов монохроматических лазеров; они сочетают в себе преимущества широкого спектрального охвата с высокой яркостью излучения, допуская точные измерения электромагнитного спектра (в настоящее время существуют методики, позволяющие достаточно точно определить частоты всех «линий» в гребенке). Именно они были использованы для доказательства утверждения относительно высокого разрешения абсорбционной спектроскопии. Достичь результата позволило объединение этого источника света с новым высокочувствительным фурье-спектрометром на основе интерферометра Майкельсона, а также решение в процессе множества проблем, подробнее о которых можно прочитать в опубликованной журнальной статье.

Ученые разработали инновационную методику блокировки шума, который может возникнуть в установке. Их эксперименты показывают, что она может быть воссоздана в любом диапазоне частот, в частности в инфракрасном диапазоне.

Своей работой ученые не просто дали экспериментаторам новый инструмент для исследований, но и показали, что частотные гребенки открывают новый подход к широкополосной спектроскопии.