몇 년 전, 오스트리아 그라츠 공과대학교(TU Graz) 실험 물리학 연구소의 Birgitta Bernhardt 교수와 그녀의 그룹은 대기 오염 물질(가스)을 실시간으로 감지하고 측정할 수 있는 세계 최초의 광대역 UV 이중{0}}콤 분광계를 설계했습니다. 이제 그들은 2.5킬로미터(1.55마일) 범위 내에서 높은 스펙트럼 분해능(1GHz), 넓은 대역폭(12THz) 및 1초 미만의 획득으로 대기 오염 물질의 분자 지문을 캡처할 수 있는-더욱 민감하고 정확한-소형 모바일 버전(동영상 참조)을 만들었습니다.
이중-콤 분광법은 높은 스펙트럼 분해능, 넓은 스펙트럼 적용 범위 및 짧은 획득 시간을 결합합니다. 이 접근 방식은 적외선(IR) 스펙트럼 영역 내에서 강점이 있는 것으로 알려져 있지만, UV 스펙트럼 영역은 직접적인 주파수 빗 소스가 부족하기 때문에 다소 미흡한 상태로 남아 있습니다.
그러나 UV 스펙트럼 영역은 "매우 중요하며 우리 장치를 사용하면 분자 샘플의 회전 및 진동 정보에 접근할 수 있을 뿐만 아니라 전자 전이를 자극할 수도 있습니다"라고 Bernhardt는 말합니다. "이것은 우리 대기 내의 광화학과 매우 관련이 있는 다양한 광화학 반응의 촉발제입니다."
2개의 레이저 주파수 빗
이중-콤 분광법은 약간 다른 반복 속도를 갖는 두 개의 레이저 주파수 빗을 결합하고, 이러한 펄스 열이 간섭할 때-고광 주파수를 직접 접근 가능한 무선 주파수 영역으로 효율적으로 변환합니다.
Bernhardt는 "간단한 포토다이오드를 통해 정밀 조사 중인 샘플의 광학적 특성-흡수 또는 분산-을 측정할 수도 있습니다."라고 말합니다. "이 기술은 이제 소형 단일-공동 이중-빗살 레이저의 IR 출력을 3배로 주파수를 증가시켜 UV 영역 내에서 활용됩니다."
이중-빗 원리 덕분에 분광계는 1초 미만의 측정 시간 내에 백만 분해능에 도달합니다. Bernhardt는 "이것은 기존의 격자 분광계나 단색 장치로는 도달할 수 없는 독특한 조합입니다."라고 말했습니다.
Main benefits of the group's design changes? Broad spectral coverage of >10 THz, 짧은 획득 시간(0.5초), 1,000,000의 높은 분해능, 높은 감도(흡수 단면적이 10만큼 낮음)-22센티미터2/분자) 및 고정밀도-모두 탐구되지 않은 UV 스펙트럼 영역 내에서 이루어집니다.
Bernhardt는 "우리의 설정은 이동식이며 복잡한 전자 안정화 장비가 필요하지 않습니다."라고 지적합니다. "이전 프로젝트에는 추가 전자 랙이 포함되었습니다. 이를 단순화함으로써 분광계는 분광학 전문가뿐만 아니라{2}}사용자 친화적으로 변모하고 있습니다."
전례 없는 UV 이중-빗형 분광계 정밀도
연구진은 이 그룹의 이동식 UV 이중{0}}빗형 분광계를 사용하여 포름알데히드(대기 오염 물질 및 휘발성 유기 화합물)의 UV 광 흡수 패턴을 정확하게 측정할 수 있었습니다. 이러한 측정은 매우 정확하여 "우리는 이전에 실험적으로 관찰된 적이 없는 다수의 포름알데히드 공명을 발견했습니다"라고 Bernhardt는 말합니다. "정말 좋은 순간이었어요!"
실제로 그들의 측정 결과는 1960년대 이후 물리학 교과서에 수록된 포름알데히드의 회전 상수가 부정확하다는 사실을 밝혀냈습니다. Bernhardt와 그녀의 그룹은 미국 천체 물리학 센터의 Harvard & Smithsonian 원자 및 분자 물리학 부서와 협력하여 이 기본 분자{4}}특정 매개변수의 값을 최대 15%까지 수정했습니다.
TU Graz 유기 화학 연구소의 Rolf Breinbauer 교수와 그의 그룹은 고순도 포름알데히드를 제공하여 이 연구에 기여했습니다.{0}}
크레딧: Wolf/TU Graz
이동식 UV 이중-빗 분광계-(왼쪽에서 오른쪽으로)를 들고 있는 실험실 연구원 Rolf Breinbauer, Birgitta Bernhardt, Clemens Hoffman 및 Mithun Pal.
다음: 훨씬 더 작고 안정적일까요?
스펙트럼 특성에 관심이 있는 곳이면 어디든 이동식 UV 이중{0}}빗형 분광계를 적용할 수 있습니다. 기본 분광학(모든 종의 기본 광학 특성 탐색), 공기 품질 측정(오염 물질의 대기 화학), 바이오 센싱, 심지어 의료 호흡 분석에도 사용할 수 있습니다.
분명히 대기질 측정의 정확성을 향상시키는 것은 대기 오염과 그것이 지구에 미치는 영향을 이해하는 데 도움이 될 수 있는 잠재력 때문에 두드러집니다.
Bernhardt는 "저희 분광계는 TU Graz의 Coherent Sensing 그룹에서 항상 작동하고 있습니다."라고 말했습니다. "연구할 종이 많기 때문에 우리는 대기질 측정 현장 캠페인을 수행하기 위해 장비를 더욱 컴팩트하게 만드는 방법을 모색하고 있습니다."
