Projekt "Nowe technologie kwantowe optycznych wzorców koncentracji cząsteczek, ciśnienia i temperatury gazu" w ramach Polska Metrologia II będzie realizowany w latach 2024-2026 przez Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu we współpracy z Głównym Urzędem Miar.
Celem projektu jest eliminacja systematycznych błędów pomiaru natężenia linii widmowej metodą spektroskopii CRDS związanych z nieliniowością układu detekcji światła oraz demonstracja pomiaru koncentracji gazu wyłącznie na podstawie porównania zmierzonego oraz obliczonego z zasad pierwszych (ab intio) natężenia linii i znanej temperatury gazu.
Pomiar taki będzie demonstracją nowego optycznego wzorca koncentracji i ciśnienia gazu. Optyczne wzorce wielkości fizycznych, bazujące na kwantowych własnościach materii i jej oddziaływaniu ze światłem sukcesywnie wypierają lub uzupełniają tradycyjne artefakty w roli wzorców metrologicznych i ich zastosowań w gospodarce, nauce i rozwoju technicznym. Precyzyjna spektroskopia jest powszechnie stosowana do detekcji koncentracji, ciśnienia i temperatury gazu, gdzie rozdzielczość spektralna umożliwia selektywny pomiar składowych gazów, np. w atmosferze, produktach reakcji chemicznych, spalania czy kontroli czystości materiałów.
Optyczne pomiary koncentracji i ciśnienia gazu korzystają z częstotliwości i natężeń linii widmowych. Dokładny pomiar wymaga scałkowania absorpcji po całym kształcie linii. Znając natężenia linii z obliczeń kwantowo-mechanicznych zgodnych z Modelem Standardowym i stałych fizycznych układu SI, możemy więc zademonstrować wzorce koncentracji i ciśnienia gazu przy odpowiednio dokładnych pomiarach absorpcji dla danej linii molekularnej. Temperaturę gazu można wyznaczyć optycznie z szerokości dopplerowskiej linii molekularnej lub z pomiaru względnych natężeń linii ro-wibracyjnych, wynikających z boltzmannowskiego rozkładu obsadzeń kwantowych stanów rotacyjnych. Można więc opracować optyczny wzorzec temperatury i bezkontaktowe systemy pomiarowe, bazujące na dokładnej, wysokorozdzielczej spektroskopii.
Spektroskopia cavity ring-down (CRDS) wyróżnia się wyjątkowym połączeniem wysokiej czułości, rozdzielczości i dokładności. Współczynnik absorpcji próbki uzyskujemy z pomiaru czasu eksponencjalnego zaniku światła z wnęki optycznej, dlatego widmo nie zależy od mocy światła próbkującego ani długości drogi optycznej przez absorber, co czyni CRDS metodą bezkalibracyjną. Badania na UMK i w NIST pokazały, że zmniejszenie niepewności CRDS poniżej 0.1% jest możliwe jedynie przez dokładną kalibrację nieliniowości układu detekcji natężenia światła zanikającego w czasie rzędu μs. Jest to główny komponent niepewności typu B w najdokładniejszych spektrometrach CRDS. Z tego powodu CRDS na poziomie dokładności promilowej traci walor metody bezkalibracyjnej.
Zespół z UMK zaproponował nowe podejście do dokładnej spektroskopii molekularnej. W metodzie zwanej cavity mode dispersion spectroscopy (CMDS) widmo uzyskujemy wyłącznie z pomiaru częstotliwości modów, co eliminuje problem nieliniowości detekcji natężenia światła. Co więcej, obie osie widma można dowiązać do zegara atomowego przez optyczny grzebień częstotliwości. Zademonstrowaliśmy sub-promilowe niepewności pomiarów natężeń linii oraz pierwszą na świecie subpromilową zgodność natężeń linii między laboratoriami UMK, NIST i PTB oraz obliczoną ab initio w UCL.
Dalsze prace na UMK zmierzają do połączenia szybkości CRDS z dokładnością CMDS. Nowa metoda cavity buildup dispersion spectroscopy (CBDS), korzystająca z własności dynamicznej odpowiedzi wnęki na zmienne w czasie pole laserowe, umożliwiła nam dokładny pomiar dyspersyjny w czasie nawet krótszym niż CRDS. Najnowsze testy pokazały, że zdudnienie sygnału CRDS z lokalnym oscylatorem ciasno dowiązanym do wnęki zapewnia doskonałą zgodność widma absorpcji i dyspersji. Stanowi to podstawę do opracowania nowych optycznych bezkalibracyjnych wzorców koncentracji i ciśnienia gazu, w pełni dowiązanych do układu SI i bazujących na pomiarze częstości, która jest najlepiej mierzalną wielkością fizyczną.
Wstępne badania układów detekcji światła w spektrometrze CRDS na UMK wykazały, że główną przyczyną rozbieżności wyników pomiaru absorpcji jest zależność odpowiedzi układu detekcji na różne częstotliwości (składowe fourierowskie) sygnału zaniku światła z wnęki. Mając na UMK do dyspozycji unikalny spektrometr absorpcyjno-dyspersyjny, mierzący jednocześnie widmo absorpcyjne metodą CRDS i dyspersyjne metodą CMDS (niewrażliwą na w/w funkcję aparaturową) zmierzymy systematyczny błąd pomiaru natężenia linii oraz optycznego pomiaru koncentracji i ciśnienia gazu metodą CRDS.
W kolejnym kroku opracujemy metodę eliminacji nieliniowości detekcji światła poprzez wyznaczenie pełnej zespolonej funkcji przenoszenia układu i zastosowanie jej na transformacie Fouriera z sygnałów zaniku CRDS. Po uzyskaniu zgodności wyników między molekularną absorpcją i dyspersją, przetestujemy dokładność spektroskopii absorpcyjnej i dyspersyjnej. Zademonstrujemy optyczny wzorzec koncentracji i ciśnienia gazu, korzystając z natężenia linii obliczonego metodami ab initio.
