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周波数コムベース多次元コヒレント分光学で危険物質を迅速、遠隔検出

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October, 18, 2017, Ann Arbor--ミシガン大学(University of Michigan)の研究チームは、爆発物や危険ガスを素早く遠隔検出するために利用できる新しい光技術を開発した。目標は、クラッタ環境において絶対確度で多様な種類を特定する能力、光スペクトル分解能を持ち、同時に高速な方法を開発することである。研究チームは、2つの強力な光技術を統合することをこの条件を満足させた。多次元コヒレント分光学(MDCS)とデュアルコム分光学(DCS)である。
 多次元コヒレント分光学は、分子構造の決定を可能にする、核磁気共鳴分光学からのコンセプトに基づいている。それは一連の超短パルスレーザを使い、混合種を励起する。レーザパルス間の時間遅延を変えながら、サンプルからの放出光のスペクトル特性を分析することで、構成種を特定する。しかし、その方法の現在の実行は、計測時間が長く、密集したスペクトル特性の分解能に限界があり、試料の同定プロセスの信頼度が低い。研究チームは、デュアル周波数コム分光学として知られる技術を利用することで、この弱点を克服した。
 周波数コムは、等間隔のシャープなラインで数十万のスペクトルを生成する光源であり、非常に高精度に原子や分子のスペクトル特性を計測する尺度として利用されている。分光学では、デュアルコム分光学として知られる2つの周波数コムを使うことで、通常のアクイジション速度を制限する機械的可動素子なしで、高分解能スペクトルを素早く取得する洗練された方法が可能になる。
 前例のない分解能を実証するために、研究チームは、その方法を、87Rbと85Rb同位元素を含むルビジウム原子の蒸気に適用した。Rb同位元素で超微細分裂移行の線幅は、~6MHz。しかし、100℃では、そのスペクトル特性はドップラー広がり(~580MHz)となり、超微細線はしっかりと重なっている。研究チームは、これらの線を分解し、エネルギーレベルがどのように相互に結合しているかに基づいて同位元素(87Rbと85Rb)のスペクトルを割り当てることができた。この方法は一般的であり、成分を事前に知らなくても混合物の化学物質特定に使用することができる。