Un team internazionale di ricercatori ha utilizzato una tecnica di imaging non convenzionale nota come imaging fantasma per effettuare misurazioni spettroscopiche di una molecola di gas. Il nuovo approccio degli scienziati della Tampere University of Technology in Finlandia, l'Università della Finlandia orientale e l'Università della Franca Contea di Borgogna in Francia, funziona su un'ampia gamma di lunghezze d'onda e potrebbe migliorare le misurazioni dei gas serra atmosferici come il metano.

Nella rivista The Optical Society (OSA) Lettere di ottica , i ricercatori riferiscono il loro approccio per espandere le tecniche di imaging fantasma per produrre misurazioni spettrali molto efficienti che rivelano informazioni sulla composizione chimica di una molecola di gas. Raggiungono questo obiettivo utilizzando l'imaging fantasma con una fonte di luce supercontinua, per catturare la luce dipendente dalla lunghezza d'onda trasmessa attraverso i campioni e dimostrare che la tecnica può misurare la firma spettrale del metano gas serra con risoluzione subnanometrica.

"Monitoraggio dei gas serra atmosferici come il metano, diossido di carbonio, il protossido di azoto e l'ozono sono importanti per valutare come i cambiamenti dei livelli di questi gas siano collegati al cambiamento climatico, " ha detto Caroline Amiot, un membro del team di ricerca della Tampere University of Technology. "In alcune circostanze specifiche, il nostro metodo potrebbe consentire un rilevamento più sensibile dei gas serra, fornendo informazioni più accurate su questi importanti composti chimici".

L'imaging fantasma produce immagini correlando l'intensità di due fasci di luce che, presi singolarmente, non portano alcuna informazione significativa sulla forma dell'oggetto, ma consentono invece inferenze indirette sulle sue proprietà. Questo approccio può eliminare alcune delle distorsioni associate ai tipici sistemi di imaging in ambienti difficili ed è stato utilizzato per creare immagini ad alta risoluzione di oggetti fisici e, più recentemente, per ripristinare segnali ultraveloci criptati su scale temporali di picosecondi.

Le molecole di gas sono spesso sparse e quindi modificano solo di una piccola quantità la trasmissione luminosa totale. Ciò significa che generalmente sono necessarie potenti sorgenti luminose o rivelatori estremamente sensibili per rilevarli.

"Poiché la nostra tecnica funziona rilevando un segnale integrato contenente molte lunghezze d'onda, al contrario di una lunghezza d'onda come i metodi di spettroscopia tradizionali, consente misurazioni utilizzando sorgenti luminose meno potenti e a lunghezze d'onda in cui non sono disponibili rilevatori altamente sensibili, " disse Amiot.

Imaging fantasma spettrale L'immagine fantasma crea un'immagine spettrale, che può contenere lo spettro di trasmissione o riflessione di un oggetto, correlando due bracci di un raggio di luce:uno che codifica un pattern casuale che funge da riferimento di sondaggio e l'altro che illumina il campione. Il nuovo approccio di imaging fantasma utilizza una sorgente di luce supercontinuo, che emette impulsi che contengono ciascuno molte lunghezze d'onda della luce. I ricercatori hanno utilizzato le fluttuazioni casuali che si verificano tra gli spettri associati a impulsi consecutivi per creare il riferimento necessario per eseguire l'imaging spettrale dei fantasmi.

La luce trasmessa attraverso un campione viene quindi rilevata con un rivelatore veloce senza risoluzione spettrale che fornisce un segnale integrato per tutte le lunghezze d'onda della larghezza di banda spettrale considerata. L'immagine inizia con l'aspetto di una macchia rumorosa, ma una volta che è correlato con le fluttuazioni spettrali di riferimento, l'immagine spettrale comincia ad apparire.

"È possibile ricostruire l'immagine spettrale senza inviare grandi quantità di luce attraverso il campione, " ha detto Amiot. "Questo può essere molto utile per i campioni sensibili alla luce, Per esempio."

Generare un segnale più forte

Effettuare misurazioni di gas nell'atmosfera ha tradizionalmente richiesto l'invio di luce laser ad alta potenza nell'atmosfera, dove interagisce con il gas. "Per misurare quale gas è presente e in quale quantità, il segnale luminoso molto debole che ritorna deve essere ulteriormente suddiviso in varie lunghezze d'onda per il rilevamento, " ha detto Amiot. "Questo può essere problematico quando il segnale è molto debole. Il nostro metodo rileva tutte le lunghezze d'onda mescolate insieme, creando un segnale molto più forte che consente misurazioni più sensibili."

I ricercatori hanno testato la loro tecnica utilizzandola per produrre un'immagine spettrale del metano. Le misurazioni dell'immagine fantasma hanno riprodotto perfettamente la serie di linee di assorbimento discrete che sono le impronte digitali del metano e si sono adattate bene alle misurazioni di spettroscopia diretta più convenzionali che i ricercatori hanno eseguito per il confronto.

I ricercatori stanno ora lavorando per controllare le fluttuazioni spettrali utilizzando sorgenti luminose pre-programmabili che eliminerebbero la necessità di misurare i modelli spettrali di riferimento. Stanno anche lavorando per utilizzare l'imaging fantasma del dominio spettrale con una configurazione di tomografia a coerenza ottica, che potrebbe consentire di ottenere informazioni sensibili da tessuti o altri campioni biologici senza utilizzare quantità dannose di luce.