Neue Ghost-Imaging-Technik verbessert die Messung von Gasmolekülen

• Neues Ghost-Imaging-Verfahren misst mit viel höherer Genauigkeit, welches Gas in welcher Menge in der Atmosphäre vorhanden ist.
• Es erfordert keine extrem empfindlichen Detektoren und leistungsstarken Lichtquellen, um zu funktionieren.

Die Messung von Treibhausgasen in der Atmosphäre wie Kohlendioxid, Methan, Ozon und Lachgas ist von entscheidender Bedeutung, um zu untersuchen, wie sich verändernde Mengen dieser Gase auf den Klimawandel auswirken. Sie werden entweder kontinuierlich mit stationären Geräten und Satelliten gemessen, die die aktuellen Konzentrationen überwachen, oder indem Luftproben im Kolben gesammelt und dann in einem Labor analysiert werden.

Nun hat ein Forscherteam der University of Eastern Finland, der Tampere University of Technology und der University of Burgund in Frankreich einen neuen Ansatz zur Durchführung spektroskopischer Messungen verschiedener Gasmoleküle entwickelt. Sie nennen es Ghost Imaging-Technik.

Im Vergleich zu bestehenden bildgebenden Verfahren kann dieser neue Ansatz die chemische Zusammensetzung eines Gasmoleküls mit viel höherer Genauigkeit aufdecken. In einigen Fällen kann es eine sensiblere Identifizierung von Treibhausgasen ermöglichen.

Wie es funktioniert?

Das Ghost-Imaging arbeitet über einen weiten Wellenlängenbereich und verbessert die Überwachung von Gasen in der Atmosphäre, einschließlich Methan und Kohlendioxid. Es arbeitet mit einer Superkontinuum-Lichtquelle (emittiert Pulse mit mehreren Wellenlängen), um das wellenlängenbasierte Licht abzubilden, das durch Luftproben übertragen wird, und misst den spektralen Fingerabdruck eines Gasmoleküls mit Subnanometer-Auflösung.

Diese neue Technik erzeugt Bilder, indem die Intensität von 2 verschiedenen Strahlen verknüpft wird, die keine Daten über die Form des Objekts enthalten, aber indirekte Schnittstellen zu seinen Eigenschaften ermöglichen. Unter extremen Bedingungen kann es Verzerrungen (nicht alle) entfernen, die in herkömmlichen Bildgebungssystemen beobachtet werden, und kann verschlüsselte Signale in Pikosekunden (10 ⁻¹² .) wiederherstellen Sekunden) Zeitskalen.

Da Gasmoleküle meist gestreut werden, verändern sie das Sendelicht nur geringfügig. Daher sind sehr empfindliche Instrumente und leistungsstarke Lichtquellen erforderlich, um sie zu erkennen.

Referenz:Die optische Gesellschaft | doi:10.1364/OL.43.005025

Im Gegensatz zu herkömmlichen bildgebenden Verfahren, die Signale einer einzigen Wellenlänge identifizieren, erkennt das Geisterbild-Verfahren ein integriertes Signal, das aus mehreren Wellenlängen besteht. Daher funktioniert es auch dort, wo extrem empfindliche Detektoren und leistungsstarke Lichtquellen nicht zur Verfügung stehen.

Genauer gesagt erzeugt es ein Spektralbild (das das Reflexions- oder Transmissionsspektrum eines Objekts enthält) durch Korrelieren von 2 Strahlen:Der erste Strahl kodiert ein zufälliges Muster, das sich als Sondierungsreferenz verhält, während der andere Strahl die Probe beleuchtet. Um die Referenz zu erzeugen, die für den Erhalt eines spektralen „Geisterbildes“ unerlässlich ist, verwendeten die Autoren zufällige Fluktuationen, die zwischen aufeinanderfolgenden Plusspektren auftreten.

Bildnachweis:NASA

Anschließend wird der durch eine Probe übertragene Strahl über einen Detektor ohne spektrale Auflösung analysiert. Nach der Korrelation mit Referenzspektralfluktuationen erhielten sie eine klare Sicht auf das Spektralbild.

Testen

Um diese neue Technik zu testen, erstellten sie damit ein Spektralbild von Methangas. Es hat die Abfolge diskreter Absorptionslinien, die die Identität von Methan darstellen, präzise nachgebildet. Sie verglichen die Ergebnisse auch mit herkömmlichen direkten Spektroskopiemessungen:Die Ergebnisse beider Techniken stimmten gut überein.

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Derzeit experimentieren Autoren mit vorprogrammierbaren Lichtquellengeräten, um die spektralen Schwankungen zu steuern. Dies würde das Messen von Referenzspektralmustern überflüssig machen. Außerdem versuchen sie, diese Technologie in die optische Kohärenztomographie-Einrichtung zu integrieren, die es ihnen ermöglichen würde, sensible Daten aus verschiedenen biologischen Proben, einschließlich Gewebe, zu extrahieren, ohne die Proben schädlichen Strahlen auszusetzen.