革命的ゴーストイメージングで大気ガス測定の精度を飛躍的に向上

• 新しいゴーストイメージング手法で、大気中にどのガスがどの量存在するかを、はるかに高い精度で測定
• 極めて感度の高い検出器や強力な光源を必要としない

二酸化炭素、メタン、オゾン、一酸化二窒素など、大気中の温室効果ガスを測定することは、これらのガスの量の変化が気候変動にどう影響するかを研究する上で不可欠です。これらは、現在の濃度を監視する定置装置と衛星を継続的に使用するか、フラスコに空気サンプルを採取して実験室で分析することで測定されます。

今、フィンランド東部大学、タンペレ工科大学、フランスのブルゴーニュ大学の研究チームが、さまざまなガス分子の分光測定を行う新しいアプローチを開発しました。これをゴーストイメージング技術と呼んでいます。

既存のイメージング技術と比較して、この新アプローチはガス分子の化学組成をはるかに高い精度で明らかにできます。場合によっては、温室効果ガスのより感度の高い同定を可能にします。

仕組み

ゴーストイメージングは幅広い波長範囲で動作し、メタンや二酸化炭素を含む大気中のガス監視を改善します。スーパーコンティニューム光源（複数波長のパルスを放出）を用いて、空気サンプルを通過した波長ベースの光をイメージングし、ガス分子のスペクトルフィンガープリントをサブナノメートル分解能で測定します。

この新技術は、物体の形状に関するデータを含まない2つの異なるビームの強度を相関させることで画像を生成しますが、それらの特性についての間接的なインターフェースを可能にします。極端な条件下では、従来のイメージングシステムで観察される歪み（すべてではない）を除去し、ピコ秒（10⁻¹²秒）タイムスケールでスクランブルされた信号を復元できます。

ガス分子はほとんど散乱しているため、透過光をごくわずかにしか変化させません。したがって、それらを検出するには非常に感度の高い機器と強力な光源が必要です。

参照: The Optical Society | doi:10.1364/OL.43.005025

単一波長の信号を特定する従来のイメージング手法とは異なり、ゴーストイメージング技術は複数波長で構成される統合信号を検出します。したがって、極めて感度の高い検出器と強力な光源が利用できない環境でも機能します。

より具体的には、2つのビームを相関させることでスペクトル画像（物体の反射または透過スペクトルを含む）を生成します：第1ビームはプローブ参照として振る舞うランダムパターンをエンコードし、第2ビームがサンプルを照明します。スペクトル「ゴーストイメージ」を取得するために必要な参照を生成するため、著者たちは連続パルススペクトル間で発生するランダムな変動を利用しました。

Image credit: NASA

その後、サンプルを通過したビームを分解能なしの検出器で分析します。参照スペクトル変動と相関させた後、スペクトル画像のクリアなビューを取得しました。

テスト

この新技術をテストするため、メタンガスのスペクトル画像を生成するために使用しました。メタンのアイデンティティを表す離散吸収線の系列を正確に再現しました。また、従来の直接分光測定と結果を比較しました：両技術の結果はよく一致しました。

現在、著者たちはスペクトル変動を操向するためにプリプログラム可能な光源デバイスで実験しています。これにより参照スペクトルパターンの測定が不要になります。また、この技術を光干渉断層撮影セットアップと統合しようとしており、組織などさまざまな生物サンプルから有害な光線にさらすことなく感度の高いデータを抽出できるようになります。