據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所（NIST）的科研團(tuán)隊(duì)在其現(xiàn)有的光子溫度計(jì)（photonic thermometers）研究的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)出一種加速光子溫度計(jì)進(jìn)行溫度測(cè)量的方法。這一改進(jìn)可以允許設(shè)計(jì)并行工作的多個(gè)光子探針，從而使其能夠用于復(fù)雜過(guò)程的研究并同時(shí)測(cè)量許多物理特性。
光子溫度計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置
NIST開(kāi)發(fā)的光子溫度計(jì)依賴于熱量改變微型光子諧振器（例如環(huán)形諧振器和光子晶體腔）的尺寸和熱光特性的方式，從而創(chuàng)建一種光學(xué)濾波器，利用其光譜特性可以測(cè)量溫度。根據(jù)NIST的說(shuō)法，光子傳感計(jì)可能與用于測(cè)量應(yīng)變和濕度等其它物理量的微型傳感器一起嵌入到土木工程結(jié)構(gòu)中，以幫助監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的行為。
但是，光子溫度計(jì)面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)是如何有效地進(jìn)行詢問(wèn)，即輸入光子并盡快檢測(cè)溫度后輸出。傳統(tǒng)的方法使用激光源產(chǎn)生離散輸入波長(zhǎng)，可能存在速度慢、成本高且體積大等問(wèn)題。對(duì)于溫度快速變化的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，溫度測(cè)量速度尤其關(guān)鍵，例如在癌癥治療期間對(duì)細(xì)胞進(jìn)行一定劑量的放射治療時(shí)。
《光學(xué)快報(bào)（Optics Letters）》期刊報(bào)道的這項(xiàng)新研究測(cè)試了雙頻梳（dual frequency combs）的使用，這種方法采用兩個(gè)重復(fù)率略有不同的激光頻率梳作為寬帶源的替代品。雙頻梳此前已被用來(lái)改進(jìn)溫室氣體的探測(cè)，并由NIST于2021年在其博爾德（Boulder）區(qū)域進(jìn)行部署應(yīng)用，但之前未與光子溫度計(jì)一起使用。
NIST光子溫度計(jì)需要1520 nm至1560 nm的近紅外光，并將其輸入為兩個(gè)頻率梳，頻率偏移量在射頻（RF）范圍內(nèi)。光子溫度計(jì)所經(jīng)歷的溫度變化會(huì)導(dǎo)致射頻輸出的變化。
“這就是雙頻梳方法的優(yōu)勢(shì)。”NIST的Adam Fleisher評(píng)論道，“它將所有光學(xué)信息壓縮到射頻區(qū)域，這樣更容易讀出。”
在試驗(yàn)中，該科研團(tuán)隊(duì)將其光子溫度計(jì)放置在一個(gè)稱為“定點(diǎn)池（fixed-point cell）”的類(lèi)似熱水瓶的容器中。定點(diǎn)池由純材料塊組成，要么熔化要么凍結(jié)，但在相變發(fā)生時(shí)保持非常穩(wěn)定的溫度。
“我們使用定點(diǎn)池，因?yàn)槲覀兿Ｍ麥囟确€(wěn)定性不成為該實(shí)驗(yàn)的限制因素。”NIST的Tobias Herman說(shuō)，“如果有東西產(chǎn)生干擾或發(fā)出噪聲，我們就可以排除溫度浴作為源頭的可能性。”
通過(guò)這種設(shè)置，他們能夠測(cè)量千分之一開(kāi)爾文以內(nèi)的溫度，研究人員表示這對(duì)于大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠了。
NIST的Zeeshan Ahmed表示：“這非常接近我們商業(yè)化所需的效果，已經(jīng)滿足了許多應(yīng)用指標(biāo)的要求，例如測(cè)量速度和準(zhǔn)確性。這項(xiàng)研究表明，您可以采用小型雙頻梳系統(tǒng)，并為所需的應(yīng)用獲得足夠好的測(cè)量數(shù)據(jù)。”
