Nauki ścisłe [2022-02-11]

Molekuły u fryzjera

— Żaneta Kopczyńska

Fizycy z UMK we współpracy z zagranicznymi badaczami zaprezentowali nowe metody spektroskopii molekularnej we wnękach optycznych, korzystające m.in. z optycznych grzebieni częstotliwości. Mają one nie tylko duże znaczenie dla rozwoju badań podstawowych, ale też wiele praktycznych zastosowań.

Opracowanie nowych metod spektroskopii molekularnej we wnękach optycznych możliwe było dzięki międzynarodowej współpracy. To wysiłek zespołu naukowców z Katedry Fizyki Atomowej, Optycznej i Molekularnej w Instytucie Fizyki UMK: dr hab. Agaty Cygan, prof. UMK, mgr. inż. Dominika Charczuna, dr. Akiko Nishiyamy, dr. inż. Grzegorza Kowzana, prof. dr. hab. Romana Ciuryło, prof. dr. hab. Daniela Lisaka, dr. hab. Piotra Masłowskiego, prof. UMK oraz ich naukowych kolegów z National Institute of Standards and Technology (NIST) w USA, Niemieckiego Synchrotronu Elektronowego (DESY) oraz Swiss Center for Electronics and Microtechnology (CSEM) w Szwajcarii. Badania te były także realizowane w ramach Uniwersyteckiego Centrum Doskonałości "Od optyki fundamentalnej do zastosowań biofotonicznych".

Opracowane metody charakteryzują się nie tylko wysoką rozdzielczością i czułością, ale też oferują wyższą dokładność mierzonego widma dzięki zastąpieniu tradycyjnego pomiaru natężenia światła pomiarem częstotliwości optycznej. To  istotna właściwość, która pozwala im znaleźć szerokie zastosowanie zarówno w detekcji śladowych ilości gazów, pomiarach optycznych własności gazów, wykorzystywanych w modelach procesów atmosferycznych i zmian klimatycznych, badaniach dynamiki szybkich procesów we wnękach optycznych, charakteryzacji elementów precyzyjnej optyki, jak i w badaniach podstawowych oddziaływań molekularnych i dynamiki reakcji chemicznych, wymagających szybkich i wysokorozdzielczych pomiarów spektroskopowych. Artykuł "Dual‑comb cavity ring‑down spectroscopy" ukazał się właśnie (11 lutego 2022r. ) w prestiżowym czasopiśmie "Scientific Reports".

Nowe metody, większe możliwości

Zanim przejdziemy do szczegółów ustaleń fizyków, warto wyjaśnić, że wnęka optyczna jest układem, który został zaprojektowany, by móc kontrolować sprzężenie zwrotne generowane przez fale świetlne. 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.

Międzynarodowy zespół naukowców nową metodę opisał już w ubiegłym roku w artykule "Cavity buildup dispersion spectroscopy", który ukazał się w czasopiśmie "Communications Physics".

Polega ona na wzbudzaniu pojedynczych modów (w ruchu falowym rodzaj drgania – red.) rezonansowych wnęki optycznej, wypełnionej badanym gazem, za pomocą wąskiego spektralnie i przestrajalnego lasera, a następnie na analizie fourierowskiej rejestrowanego sygnału dudnień między wnęką a laserem – tłumaczy dr hab. Agata Cygan, prof. UMK. Podejście to umożliwiło po raz pierwszy jednoczesny pomiar z dużą dokładnością części absorpcyjnej i dyspersyjnej widma, a także przyczyniło się do wzrostu szybkości i dynamiki pomiarów spektroskopowych wykorzystujących lasery przestrajalne.

Następnym krokiem było rozszerzenie tego podejścia na spektroskopię szerokopasmową z wykorzystaniem grzebieni częstotliwości optycznych, co pozwoliło na pomiary wielu cząsteczek jednocześnie. Eksperyment i jego wyniki przedstawiono w artykule "Dual-comb cavity-mode width and shift spectroscopy", opublikowanym w tym roku w "Measurement".

Stosując równoległe wzbudzenie i detekcję wielu modów wnęki przestrajanym układem dwóch grzebieni częstotliwości optycznych, uzyskano jednoczesną szerokopasmową spektroskopię absorpcyjną i dyspersyjną (tj. dual-comb cavity-mode width and shift spectroscopy) - wyjaśnia mgr inż. Dominik Charczun, główny autor publikacji. - Charakteryzuje się ona zarówno szybkim pomiarem, jak i kompaktowym układem optycznym.

"Czesanie" molekuł

Najnowsza publikacja w "Scientific Reports" jest odpowiedzią na problem pomiaru widma techniką cavity ring-down spectroscopy (CRDS) na wielu częstotliwościach optycznych jednocześnie bez utraty rozdzielczości spektralnej.

Warto zaznaczyć, że próby połączenia szeroko stosowanej techniki CRDS z precyzją i szerokością spektralną grzebieni częstotliwości optycznych były podejmowane na świecie od 2006 r. Niestety zawsze czynnikiem limitującym proponowanych technik była mała rozdzielczość spektralna elementu dyspersyjnego w układzie detekcji. W podejściu zademonstrowanym na UMK, wykorzystując układ dwóch grzebieni częstotliwości optycznych, z których jeden wzbudzał badany gaz we wnęce optycznej oraz analizując widmo fourierowskie w sygnale dudnień między nimi, zrealizowano po raz pierwszy równoległą szerokopasmową spektroskopię CRDS z rozdzielczością ograniczoną jedynie czasem życia światła we wnęce optycznej.

Wyniki pracy fizyków zyskują międzynarodowe uznanie, czego oznaką jest szereg artykułów naukowych (już opublikowanych i tych planowanych) w najlepszych branżowych czasopismach oraz zaproszenia do wygłoszenia wykładów na konferencjach międzynarodowych. Nowe metody spektroskopii molekularnej dają bowiem wiele możliwości – zarówno innym naukowcom do kolejnych badań, jak i branży przemysłowej oraz technologicznej.

Spektroskopia jest niezwykle ciekawa – pozwala badać układy fizyczne poprzez ich oddziaływanie ze światłem – mówi prof. dr hab. Daniel Lisak - Dzięki niej jesteśmy w stanie rozwijać badania podstawowe oraz prowadzić badania o charakterze użytkowym, których wyniki znajdują zastosowanie m.in. przy wykrywaniu zanieczyszczeń w powietrzu, monitorowaniu zmian klimatu, w tym efektu cieplarnianego, czy monitorowaniu procesów przemysłowych.