Een internationaal team van onderzoekers heeft een onconventionele beeldvormingstechniek gebruikt die bekend staat als ghost imaging om spectroscopische metingen van een gasmolecuul te doen. De nieuwe aanpak door wetenschappers van de Tampere University of Technology in Finland, de Universiteit van Oost-Finland en de Universiteit van Bourgondië Franche-Comté in Frankrijk, werkt over een breed scala aan golflengten en zou de metingen van atmosferische broeikasgassen zoals methaan kunnen verbeteren.

In het tijdschrift The Optical Society (OSA) Optica Letters , de onderzoekers rapporteren hun aanpak om spookbeeldvormingstechnieken uit te breiden om zeer efficiënte spectrale metingen te produceren die informatie onthullen over de chemische samenstelling van een gasmolecuul. Ze bereiken dit door gebruik te maken van spookbeelden met een supercontinuümlichtbron, om het golflengte-afhankelijke licht te vangen dat door monsters wordt doorgelaten en aan te tonen dat de techniek de spectrale signatuur van het broeikasgas methaan kan meten met een resolutie van een subnanometer.

"Monitoring van atmosferische broeikasgassen zoals methaan, kooldioxide, lachgas en ozon is belangrijk om te beoordelen hoe veranderende niveaus van deze gassen verband houden met klimaatverandering, " zei Caroline Amiot, een onderzoeksteamlid van de Tampere University of Technology. "In bepaalde specifieke omstandigheden onze methode zou een gevoeligere detectie van broeikasgassen mogelijk kunnen maken, het verstrekken van nauwkeurigere informatie over deze belangrijke chemische verbindingen."

Ghost imaging produceert beelden door de intensiteit van twee lichtstralen te correleren die, individueel genomen, geen zinvolle informatie bevatten over de vorm van het object, maar laat in plaats daarvan indirecte gevolgtrekkingen toe over de eigenschappen ervan. Deze aanpak kan enkele van de vervormingen elimineren die worden geassocieerd met typische beeldvormingssystemen in ruwe omgevingen en is gebruikt om afbeeldingen met hoge resolutie te maken van fysieke objecten en, recenter, om gecodeerde ultrasnelle signalen op picoseconde tijdschalen te herstellen.

Gasmoleculen zijn vaak schaars en veranderen dus de totale lichttransmissie slechts in geringe mate. Dit betekent dat er over het algemeen krachtige lichtbronnen of extreem gevoelige detectoren nodig zijn om ze te detecteren.

"Omdat onze techniek werkt door een geïntegreerd signaal te detecteren dat veel golflengten bevat - in tegenstelling tot één golflengte zoals traditionele spectroscopiemethoden - maakt het metingen mogelijk met minder krachtige lichtbronnen en bij golflengten waar zeer gevoelige detectoren niet beschikbaar zijn, ' zei Amiot.

Spectrale spookbeeldvorming Ghost imaging creëert een spectraal beeld, die het transmissie- of reflectiespectrum van een object kan bevatten, door twee armen van een lichtstraal te correleren:een die een willekeurig patroon codeert dat als een indringende referentie fungeert en de andere die het monster verlicht. De nieuwe benadering voor spookbeeldvorming maakt gebruik van een supercontinuümlichtbron, die pulsen uitzendt die elk vele golflengten van licht bevatten. De onderzoekers gebruikten de willekeurige fluctuaties die optreden tussen de spectra geassocieerd met opeenvolgende pulsen om de referentie te creëren die nodig is voor het uitvoeren van spectrale spookbeeldvorming.

Het licht dat door een monster wordt doorgelaten, wordt vervolgens gedetecteerd met een snelle detector zonder spectrale resolutie die een geïntegreerd signaal levert voor alle golflengten van de spectrale bandbreedte in kwestie. Het beeld begint eruit te zien als een luidruchtige klodder, maar als het eenmaal is gecorreleerd met de spectrale referentiefluctuaties, het spectrale beeld begint te verschijnen.

"Het is mogelijk om het spectrale beeld te reconstrueren zonder grote hoeveelheden licht door het monster te sturen, " zei Amiot. "Dit kan zeer gunstig zijn voor lichtgevoelige monsters, bijvoorbeeld."

Een sterker signaal genereren

Voor het meten van gassen in de atmosfeer was het traditioneel nodig om krachtig laserlicht de atmosfeer in te sturen. waar het in wisselwerking staat met het gas. "Om te meten welk gas in welke hoeveelheid aanwezig is, het zeer zwakke lichtsignaal dat terugkomt, moet voor detectie verder worden opgesplitst in verschillende golflengten, "zei Amiot. "Dit kan problematisch zijn als het signaal erg zwak is. Onze methode detecteert alle golflengten door elkaar gemengd, het creëren van een veel sterker signaal dat meer gevoelige metingen mogelijk maakt."

De onderzoekers testten hun techniek door er een spectraal beeld van methaan mee te maken. De spookbeeldmetingen reproduceerden perfect de reeks discrete absorptielijnen die de vingerafdrukken van methaan zijn en kwamen goed overeen met meer conventionele directe spectroscopiemetingen die de onderzoekers ter vergelijking uitvoerden.

De onderzoekers werken nu aan het beheersen van de spectrale fluctuaties met behulp van voorprogrammeerbare lichtbronnen die de noodzaak om de spectrale referentiepatronen te meten, wegnemen. Ze werken ook aan het gebruik van spookbeeldvorming in het spectrale domein met een optische coherentietomografieopstelling, waardoor gevoelige informatie kan worden verkregen uit weefsel of andere biologische monsters zonder schadelijke hoeveelheden licht te gebruiken.