Portal informacyjny
Nauki ścisłe
Jeszcze czulsza spektroskopia
Wyniki badań prowadzonych przez fizyków z Katedry Fizyki Atomowej, Molekularnej i Optycznej UMK śmiało można nazwać przełomowymi. Ich całkowicie nowe podejście do pomiarów kształtu i intensywności linii widmowych może mieć szerokie zastosowanie naukowe, przemysłowe i metrologiczne.
Efekty prac zostały opublikowane w prestiżowym "Science Advances". To interdyscyplinarne czasopismo naukowe o otwartym dostępie, wydawane przez American Association for the Advancement of Science (AAAS). Periodyk słynie z najwyższej jakości publikacji poświęconym ważnym i oryginalnym badaniom. Autorami artykułu "Dispersive heterodyne cavity ring-down spectroscopy exploiting eigenmode frequencies for high-fidelity measurements" są: dr hab. Agata Cygan, prof. UMK, dr Szymon Wójtewicz, mgr Hubert Jóźwiak, dr inż. Grzegorz Kowzan, dr Nikodem Stolarczyk, dr hab. Katarzyna Bielska, prof. UMK, prof. dr hab. Piotr Wcisło, prof. dr hab. Roman Ciuryło i prof. dr hab. Daniel Lisak.
Film bez wizji
Spektroskopia pozwala badać układy fizyczne poprzez ich oddziaływanie ze światłem. Dzięki niej naukowcy są w stanie rozwijać nie tylko badania podstawowe, ale również te o charakterze użytkowym, m.in. przy wykrywaniu zanieczyszczeń w powietrzu, monitorowaniu zmian klimatu, w tym efektu cieplarnianego oraz monitorowaniu procesów przemysłowych. Efekty w tych dziedzinach zależą w dużej mierze od dokładności pomiarów. Praca fizyków z UMK zdecydowanie przyczyniła się do ich poprawy.
Do tej pory stosowano głównie techniki absorpcyjne, w tym ultraczułą metodę CRDS, koncentrującą się na stratach we wnęce, a ostatnio również dyspersyjną technikę CMDS, opracowaną przez naukowców z Katedry Fizyki Atomowej, Molekularnej i Optycznej UMK.
Standardowe pomiary spektroskopowe wykorzystują pomiar natężenia światła. Najczęściej jest on obarczony błędem systematycznym. Natomiast techniki rozwijane w Instytucie Fizyki UMK, które opierają się na pomiarach częstotliwości przesunięć modów wnęki, eliminują te błędy, stąd właśnie możliwe jest osiągnięcie dużo dokładniejszych wyników – mówi prof. dr hab. Roman Ciuryło.
– Do tej pory technika CRDS była uważana za jedną z najlepszych, sami z powodzeniem ją rozwijaliśmy. I choć była jedną z najdokładniejszych w dziedzinie spektroskopii precyzyjnej, to z czasem pojawiły się nowe zastosowania, inne potrzeby, bardziej wymagające, jeśli chodzi o dokładność – dodaje prof. dr hab. Daniel Lisak. – Dzięki zwiększeniu dokładności pomiarów można tej techniki użyć do zastosowań, które do tej pory były poza zasięgiem badaczy.
Mówiąc obrazowo: dotychczasowe badania i pomiary można porównać do oglądania filmu bez wizji. Tylko po głosach mogliśmy domyślać się, o co chodzi w filmie. Agata włączyła monitor – mówi prof. dr hab. Piotr Wcisło.
Aby zwiększyć dokładność pomiarów, naukowcy z UMK wykorzystali informacje zakodowane w częstotliwości optycznej pola elektromagnetycznego we wnęce optycznej. Zamiast mierzyć tylko zanikające natężenie światła, wykonali heterodynową detekcję sygnałów z wnęki, a następnie analizę Fouriera, aby uzyskać dokładne częstotliwości modów wnęki optycznej, a z nich wysokiej jakości widmo dyspersyjne próbki gazu znajdującego się we wnęce.
Dokładny pomiar wskazany
Jak to się odbywa? Wnęka optyczna to układ wzmacniający światło na drodze interferencji wielowiązkowej. Zazwyczaj przy jej konstrukcji używa się luster bądź takich materiałów, które łatwo odbijają fale. Wnęki są niezbędnymi elementami wielu różnych urządzeń opartych na działaniu laserów, które z kolei mają zastosowanie m.in. w systemach pomiarowych, transmisji danych, bezpieczeństwa, ochrony zdrowia i ochrony środowiska, a także w metrologii optycznej.
We wnęce wykorzystanej przez toruńskich fizyków zamontowano dwa zwierciadła o bardzo wysokim współczynniku odbicia, a do jego środka wprowadzono fotony.
Uwięzione w niej początkowo fotony zaczynają "wyciekać" z wnęki. Do tej pory, korzystając z konwencjonalnych metod pomiarów, przyglądano się temu, jak szybko fotony "uciekały" spoza lusterek i opuszczały wnękę i na tej podstawie wnioskowano o fizyce, która działa się w środku – tłumaczy prof. Piotr Wcisło. – Zachowanie molekuł manifestowało się tym, jak szybko ucieka światło, a naukowcy przyglądali się intensywności tego procesu.
Fizycy toruńscy postanowili na ten proces spojrzeć szerzej – nie tylko na ilość światła wydostającego się z wnęki, ale przede wszystkim na to, jak ono oscyluje, jaką ma fazę i częstotliwość. Zaproponowali, by konwencjonalną technikę spektroskopową zmodyfikować w taki sposób, aby wykorzystać wszystkie jej atuty. Zostało to zademonstrowane na przykładach dwóch cząsteczek: CO i HD.
– Nikt wcześniej nie próbował wykorzystać pełnej informacji, którą niesie światło wyciekające z wnęki. To, co mierzono, było uśrednionym sygnałem natężenia światła z detektora. On oczywiście dostarczał ważnych informacji o absorpcji gazu, który znajdował się w naszej próbce. Jednak oprócz absorpcji jest jeszcze nierozerwalnie z nim związana dyspersja. Nasz pomiar dostarcza informacji o obu tych zjawiskach – mówi dr hab. Agata Cygan, prof. UMK.
CO (tlenek węgla) szczególnie dobrze pasuje do badań tego typu. Z jednej strony jest cząsteczką stosunkowo prostą, ale już z punktu widzenia obliczeń kwantowo-mechanicznych – skomplikowaną. Nadaje się więc zarówno do prowadzenia najdokładniejszych pomiarów, jak i do testowania różnych teorii.
HD również jest ciekawą cząsteczką wykorzystywaną w badaniach spektroskopowych, ponieważ obliczenia z zasad pierwszych są możliwe na dużo dokładniejszym poziomie niż w przypadku innych układów molekularnych. Ma prostą budowę: składa się z dwóch atomów wodoru, jeden to jego izotop – deuter.
Dudnienie światła
Zespół fizyków użył dwóch wiązek światła laserowego – jedna z nich próbkowała umieszczony we wnęce gaz, czyli CO i HD, druga zaś przechodziła obok wnęki – była to tzw. wiązka referencyjna.
Obie te wiązki są "dowiązane" do rezonansów wnęki. Ze względów termicznych i mechanicznych wnęka dryfuje i drga. Laser, który – pamiętajmy – jest dowiązany do niej, będzie drgał i dryfował tak samo jak wnęka. W efekcie pozbywamy się źródła dodatkowym szumów – tłumaczy prof. Agata Cygan. – Po wyłączeniu wiązki lasera rejestrowaliśmy zmodulowany częstotliwościowo zanik światła z wnęki będący wynikiem dudnienia pola elektromagnetycznego lasera referencyjnego oraz zanikającego pola z wnęki. Obwiednia tego zaniku pokazuje nam stopień absorpcji przez próbkę gazu umieszczonego we wnęce, natomiast częstotliwość dudnienia daje informację o położeniu rezonansu we wnęce.
Jak tłumaczy badaczka, rezonanse wnęki przesuwają się ze względu na zjawisko dyspersji. – Mierząc różnice częstotliwości między modami otrzymujemy widmo dyspersyjne próbki – wyjaśnia prof. Agata Cygan.
– I to właśnie pomiar dyspersji jest tutaj kluczowy. Jest jednym z najdokładniejszych, a wykorzystana do niego metoda jest szybsza od naszej wcześniejszej techniki CMDS. Tam musieliśmy mierzyć kształt modu wnęki punkt po punkcie, co znacząco wydłużało pomiar. Przy obecnie zaproponowanym rozwiązaniu wykonujemy właściwie jeden pomiar w czasie kilku milionowych części sekundy. To jakby połączenie dokładności techniki CMDS z szybkością CRDS i wydobycie najbardziej kluczowych informacji – mówi prof. Roman Ciuryło.
Potencjał jest duży
Badania, dzięki którym udaje się uzyskać dużo wierniejsze i bardziej precyzyjne pomiary kształtu i intensywności linii widmowych cząsteczek, dają szerokie potencjalne zastosowania w wielu obszarach. Sprawdzić się mogą m.in. w teledetekcji atmosferycznej, metrologii stosunku izotopów, bezkontaktowej termometrii i opracowywaniu nowych standardów gazowych.
Obiecująco wyglądają już same wyniki przy pomiarach linii widmowych tlenku węgla. W śladowych ilościach występuje on w atmosferze ziemskiej, gdzie odgrywa ważną rolę w chemii atmosfery i zmianach klimatu. Wpływa też na stężenie gazów cieplarnianych, dzięki czemu ma zastosowanie w satelitarnym monitoringu atmosfery Ziemi. Dzięki dokładnym danym spektroskopowym można m.in. dokładniej badać procesy transportu molekuł w atmosferze ziemskiej oraz źródła ich pochodzenia.
Spektroskopia pozwala na zdalny pomiar temperatury. Zwykłym termometrem musimy dotknąć materii, której temperaturę mierzymy, a laserem możemy próbkować interesującą nas substancję nawet z dużej odległości, bez dotykania jej fizycznie. Pomiar musi być jednak bardzo precyzyjny – mówi prof. Daniel Lisak. – Jednym z takich precyzyjnych zastosowań może być metrologia optyczna temperatury, ciśnienia i ilości substancji, gdzie dokładność pomiaru spektroskopowego natężeń linii rzędu poniżej jednego promila jest kluczowa.
Naukowcy zapowiadają, że planują wypróbować opracowaną przez siebie metodę do bardziej skomplikowanych cząsteczek, np. dwutlenku węgla i metanu – głównych gazów cieplarnianych. Parametry ich widm zmierzone z ogromną dokładnością przyczynić się mogą np. do opracowania globalnych modeli zmian klimatycznych.
