科学家在几乎完全黑暗的环境中记录了近十万种颜色的宽光谱

光子计数双梳状光谱仪

我们的眼睛仅对三个光谱色带（红色，绿色，蓝色）敏感，如果颜色变得很暗，人们将无法再区分颜色。光谱学家可以通过光波的频率识别更多的颜色，并可以通过光谱指纹来区分原子和分子。在一项原理证明实验中，来自马克斯-普朗克量子光学研究所（MPQ）和路德维希-马克西米利安大学（LMU）的NathaliePicqué和TheodorHänsch现在已记录了近十万种颜色的近乎完全黑暗的光谱。该实验使用了两个锁模飞秒激光器和一个光子计数检测器。结果刚刚发表在《美国国家科学院院刊》上。

锁模飞秒激光器发射出成千上万条尖锐的光谱线，这些光谱线的频率均匀分布。这样的激光频率梳现在被广泛地用于计数激光的振荡，并且它们用作光学原子钟中的钟表。当TheodorHänsch和John L. Hall获得2005年度诺贝尔物理学奖时，频率梳技术得到了突出的体现。

在过去的15年中，MPQ的NathaliePicqué利用频率梳开发了宽带光谱的新方法。在她的双梳光谱技术中，一个激光器的所有梳线同时在很宽的光谱范围内询问样品，而间距稍有不同的第二个激光器的梳线会干扰快速光电探测器以进行读出。一对梳状线（每个激光器一个）在检测器信号中产生射频节拍音符。这些射频信号可以被计算机数字化和处理。样品中的任何光谱结构在射频信号的梳理中都重新显示为相应的图案。有效地将光信号减慢一个很大的系数，该系数等于激光重复频率除以重复频率之差。

Picqué和Hänsch现在证明，在光子计数方式中，双梳状光谱可以扩展到极低的光强度。即使功率非常低，以至于平均在2000个激光脉冲的时间内仅记录一次咔嗒声，也可以在光子计数检测器的咔嗒声统计中观察到干扰信号。在这种情况下，极不可能在检测路径中同时存在两个光子，每个光子来自一个激光器。如果人们假设检测前存在光子，则无法直观地解释该实验。

在光强度下工作的能力比通常使用的低十亿倍，这为双梳子光谱学的发展开辟了新的前景。纳塔莉·皮奎（NathaliePicqué）说：“现在，该方法可以扩展到最多可用微弱频率梳源的光谱区域，例如极紫外或软X射线区域。光谱信号可以通过高度衰减的材料或通过大范围的反向散射来获取。从纳米样品中提取双梳状光谱到单个原子或分子，这仅产生微弱的荧光信号，这是可行的。”

西奥多·汉施（ThodorHänsch）记得在实验室里，当检测器点击的统计数据中首次出现干扰模式时：“我感到很兴奋。即使在激光光谱工作了50多年之后，单次检测到的光子对我来说还是很违反直觉的可能会“意识到”具有大量梳状线和样品复杂光谱的两个激光器。”