从监测温室气体浓度到检测呼吸中的新冠病毒，被称为频率梳的激光系统可以以前所未有的准确性和灵敏度识别像二氧化碳这样简单和像单克隆抗体一样复杂的特定分子。然而，尽管频率梳令人惊奇，但它们捕获高速过程的速度受到限制，例如高超音速推进或蛋白质折叠成最终的三维形状。

现在，美国国家标准与技术研究所(NIST)、TopticaPhotonicsAG和科罗拉多大学博尔德分校的研究人员开发了一种频率梳系统，可以每20纳秒(即十亿分之一秒)检测样品中特定分子的存在。

借助这项新功能，研究人员可以使用频率梳更好地了解快速移动过程中的瞬间中间步骤，从高超音速喷气发动机的工作原理到调节细胞生长的酶之间的化学反应。研究小组在《自然光子学》上发表的一篇论文中公布了其研究结果。

在他们的实验中，研究人员使用了现在常见的双频梳设置，其中包含两束激光束，它们一起工作来检测分子吸收的颜色光谱。大多数双频梳设置都涉及两个飞秒激光器，它们同步发出一对超快脉冲。

在这项新实验中，研究人员使用了一种更简单、更便宜的装置，称为“电光梳”，其中单个连续光束首先被分成两束。然后，电子调制器产生改变每个光束的电场，将它们塑造成频率梳的各个“齿”。每颗牙齿都有特定颜色或频率的光，然后可以被感兴趣的分子吸收。

传统的频率梳可以有数千甚至数百万个齿，而研究人员的电光梳在典型的实验运行中只有14个。然而，结果是，每颗牙齿都具有更高的光功率，并且频率与其他牙齿相距甚远，从而产生清晰、强烈的信号，使研究人员能够在20纳秒时间尺度上检测光吸收的变化。

在演示中，研究人员使用该仪器测量从充气室中的小喷嘴喷出的CO2超音速脉冲。他们测量了CO2混合比，即空气中二氧化碳的比例。CO2浓度的变化告诉研究人员脉冲的运动。研究人员观察了CO2如何与空气相互作用并在其尾流中产生气压振荡。即使使用最复杂的计算机模拟，这些细节通常也很难准确获得。

“在像飞机发动机这样更复杂的系统中，我们可以使用这种方法来观察特定的感兴趣物种，例如水、燃料或CO2，​​以观察化学反应。我们还可以使用这种方法来测量压力等物质NIST研究化学家DavidLong说：“通过观察信号的变化来确定温度或速度。”这些实验的信息可以提供见解，从而改进内燃机的设计，或者更好地了解温室气体如何与大气相互作用。

该装置中的一个特殊组件(称为光学参量振荡器)用于将梳齿从近红外颜色转变为被CO2吸收的中红外颜色。但光学参量振荡器也可以调谐到中红外的其他区域，以便梳子可以检测吸收这些区域中的光的其他分子。

该论文包含的信息可供其他研究人员在实验室中构建类似的系统，从而使这项新技术在许多研究领域和行业中广泛使用。

“这项工作的真正特别之处在于，它大大降低了想要使用频率梳研究快速过程的研究人员的进入门槛，”合著者、科罗拉多大学博尔德分校教授、前NIST格雷格·里克(GregRieker)说。研究助理。

“通过这种设置，您可以生成任何您想要的梳子。这种方法的可调性、灵活性和速度为许多不同类型的测量打开了大门，”朗说。

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