Nieuwe Ghost Imaging-techniek verbetert metingen van gasmoleculen

• Nieuwe spookbeeldvormingsmethode meet welk gas in de atmosfeer aanwezig is en in welke hoeveelheid, met veel betere nauwkeurigheid.
• Er zijn geen extreem gevoelige detectoren en krachtige lichtbronnen nodig om te werken.

Het meten van broeikasgassen in de atmosfeer zoals koolstofdioxide, methaan, ozon en lachgas is cruciaal om te bestuderen hoe veranderende hoeveelheden van deze gassen de klimaatverandering beïnvloeden. Ze worden gemeten door ofwel continu stationaire apparatuur en satellieten te gebruiken die de huidige concentraties bewaken, ofwel door luchtmonsters in de kolf te verzamelen en deze vervolgens in een laboratorium te analyseren.

Nu heeft een team van onderzoekers van de Universiteit van Oost-Finland, de Technische Universiteit van Tampere en de Universiteit van Bourgondië in Frankrijk een nieuwe benadering bedacht voor het uitvoeren van spectroscopische metingen van verschillende gasmoleculen. Ze noemen het Ghost Imaging-techniek.

In vergelijking met bestaande beeldvormingstechnieken kan deze nieuwe benadering de chemische samenstelling van een gasmolecuul veel nauwkeuriger blootleggen. In sommige gevallen kan het een gevoeligere identificatie van broeikasgassen mogelijk maken.

Hoe werkt het?

De spookbeeldvorming werkt over een breed scala aan golflengten, waardoor de bewaking van gassen in de atmosfeer, waaronder methaan en koolstofdioxide, wordt verbeterd. Het werkt met een supercontinuümlichtbron (zendt pulsen met meerdere golflengten uit) om het op golflengte gebaseerde licht dat door luchtmonsters wordt overgebracht in beeld te brengen, en meet de spectrale vingerafdruk van een gasmolecuul met een resolutie van subnanometer.

Deze nieuwe techniek genereert afbeeldingen door de intensiteit van 2 verschillende bundels te associëren die geen gegevens over de vorm van het object bevatten, maar indirecte interfaces over de kenmerken ervan mogelijk maken. In extreme omstandigheden kan het (niet alle) vervormingen die worden waargenomen in conventionele beeldvormingssystemen verwijderen en kan het vervormde signalen herstellen op picoseconde (10 ⁻¹² seconden) tijdschalen.

Omdat gasmoleculen meestal verstrooid zijn, veranderen ze het doorlatende licht slechts in geringe mate. Het vereist dus zeer gevoelige instrumenten en krachtige lichtbronnen om ze te detecteren.

Referentie:The Optical Society | doi:10.1364/OL.43.005025

In tegenstelling tot conventionele beeldvormingsmethoden die signalen van een enkele golflengte identificeren, detecteert de spookbeeldvormingstechniek een geïntegreerd signaal dat uit meerdere golflengten bestaat. Daarom werkt het zelfs waar extreem gevoelige detectoren en krachtige lichtbronnen niet beschikbaar zijn.

Meer specifiek genereert het een spectraal beeld (dat het reflectie- of transmissiespectrum van een object bevat) door 2 bundels te correleren:de eerste bundel codeert een willekeurig patroon dat zich gedraagt ​​als indringende referentie, terwijl de andere bundel het monster verlicht. Om de referentie te genereren die essentieel is voor het verkrijgen van een spectraal 'spookbeeld', gebruikten de auteurs willekeurige fluctuaties die optreden tussen opeenvolgende plussen-spectra.

Afbeelding tegoed:NASA

Vervolgens wordt de door een monster overgebrachte bundel geanalyseerd via een detector zonder spectrale resolutie. Nadat ze het hadden gecorreleerd met spectrale referentiefluctuaties, kregen ze een duidelijk beeld van het spectrale beeld.

Testen

Om deze nieuwe techniek te testen, gebruikten ze deze om een ​​spectraal beeld van methaangas te genereren. Het reconstrueerde precies de opeenvolging van discrete absorptielijnen die de identiteit van methaan vertegenwoordigen. Ze vergeleken de uitkomsten ook met traditionele directe spectroscopiemetingen:de resultaten van beide technieken kwamen goed overeen.

Lezen:Transmissie-elektronenmicroscoop kan nu nanodeeltjes in 4D zien

Momenteel experimenteren auteurs met voorprogrammeerbare lichtbronapparaten om de spectrale fluctuaties te sturen. Dit zou de noodzaak voor het meten van spectrale referentiepatronen elimineren. Ze proberen deze technologie ook te integreren met de optische coherentietomografieopstelling, waardoor ze gevoelige gegevens uit verschillende biologische monsters, inclusief weefsel, kunnen extraheren zonder monsters aan schadelijke stralen bloot te stellen.