日本的研究人員通過展寬脈沖光搭建了目前最快的紅外光譜儀，該新型光譜儀的掃描速度是目前最高速度的100倍（Commun.Phys.，doi：10.1038 / s42005- 020-00420-3）。該光譜儀能夠推動(dòng)目前長(zhǎng)期依賴于紅外光譜研究分子系統(tǒng)的相關(guān)領(lǐng)域的進(jìn)步。

信噪比困境

紅外光譜儀可以檢測(cè)和分析來自分子的反向散射光，分子的固有振動(dòng)將化學(xué)信息反映在光譜中。日本東京大學(xué)的Takuro Ideguchi團(tuán)隊(duì)通過拉伸在樣品傳輸?shù)闹屑t外激光短脈沖，可以更快地檢測(cè)和分析光譜。借助他們的技術(shù)，飛秒的激光脈沖可以擴(kuò)展到納秒，從而每秒實(shí)現(xiàn)8000萬(wàn)份光譜的檢測(cè)和分析。

該團(tuán)隊(duì)的成員，包括濱松光子和日本科學(xué)技術(shù)廳的PRESTO的研究人員說，該速率已經(jīng)超過了目前雙光梳光譜技術(shù)的速率，且目前系統(tǒng)的改進(jìn)空間從根本上受限于低信噪比。

因此，要提高測(cè)量速度，必須使用另一種可以提供更高信噪比的技術(shù)。時(shí)間展寬光譜法，即色散傅里葉變換光譜法是一種可行的選擇。但是，它僅在近紅外范圍內(nèi)得到了證明。

時(shí)間展寬紅外光譜（TS-IR）需要三個(gè)部分：MIR高重復(fù)頻率飛秒激光器，MIR展寬器和MIR超快檢測(cè)器。

對(duì)于MIR高重復(fù)頻率飛秒激光器，該團(tuán)隊(duì)使用飛秒激光產(chǎn)生MIR脈沖。然后，激光穿過乙炔，并在自由空間啁啾增強(qiáng)延遲系統(tǒng)中在時(shí)間上拉伸。該系統(tǒng)由衍射光柵、一對(duì)凹面鏡和一對(duì)平面鏡組成。之后，光在量子級(jí)聯(lián)檢測(cè)器（QDC），一種光電檢測(cè)器中進(jìn)行分析。在推出QCD之前，最快的市售MIR檢測(cè)器的帶寬約為1 GHz，這對(duì)于時(shí)間拉伸光譜法來說還不夠高。另一方面，QCD具有大約5 GHz的帶寬，甚至可能更高，因此適用于TS-IR。

飛秒脈沖展寬

目前，該團(tuán)隊(duì)使用了體積大且昂貴的飛秒激光振蕩器，在將來，該團(tuán)隊(duì)希望找到一種更適合TS-IR的激光系統(tǒng)。另外，研究團(tuán)隊(duì)還想拓寬光譜帶寬，以便新光譜儀可以與FTIR等MIR光譜儀競(jìng)爭(zhēng)。該光譜儀還可用于測(cè)量蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)變化動(dòng)力學(xué)等應(yīng)用。

該系統(tǒng)或?qū)⑼苿?dòng)發(fā)展高速連續(xù)測(cè)量非重復(fù)現(xiàn)象，例如氣體燃燒或視紫紅質(zhì)等感光蛋白的結(jié)構(gòu)變化動(dòng)力學(xué)。還可能應(yīng)用于高通量測(cè)量，例如人類血液的液體活檢或用于單細(xì)胞分析和分類的流式細(xì)胞儀。

未來，該團(tuán)隊(duì)有興趣與化學(xué)家和生物學(xué)家就這些潛在應(yīng)用進(jìn)行合作研究。