Ultraviolettes Doppelkamm-Spektroskopiesystem zählt einzelne Photonen – Physics World

<a data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/03/ultraviolet-dual-comb-spectroscopy-system-counts-single-photons-physics-world.jpg" data-caption="How it works: the top frequency comb is passed through a sample of interest and then into a beamsplitter. The bottom frequency comb operates at a slightly different pulse repetition frequency and is combined with the top comb in the beamsplitter. Photons in the combined beam are counted by a detector. (Courtesy: Bingxin Xu et al/Natur/ CC BY 4.0 DEED)“ title=“Klicken, um Bild im Popup zu öffnen“ href=“https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/03/ultraviolet-dual-comb-spectroscopy-system-counts- single-photons-physics-world.jpg“>

Doppelkammspektroskopie – Absorptionsspektroskopie, die die Interferenz zwischen zwei Frequenzkämmen nutzt – wurde bei ultravioletten Wellenlängen unter Verwendung einzelner Photonen durchgeführt. Die Arbeit könnte zum Einsatz der Technik bei kürzeren Wellenlängen führen, wo Hochleistungskammlaser nicht verfügbar sind. Die Technik könnte auch neue Anwendungen finden.

Seit ihrer Erfindung zu Beginn des 21. Jahrhunderts sind Frequenzkämme zu wichtigen Werkzeugen in der Optik geworden. Infolge, Theodor Hänsch des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik in Deutschland und John Hall vom US-amerikanischen National Institute for Standards and Technology erhielten 2005 für ihre Erfindung den Nobelpreis. Ein Frequenzkamm besteht aus kurzen, periodischen Lichtimpulsen, die ein sehr breites Lichtspektrum mit Intensitätsspitzen in regelmäßigen Frequenzintervallen enthalten – ähnlich den Zähnen eines Kamms. Besonders nützlich sind solche Spektren immer dann, wenn Licht mit einer genau definierten Frequenz benötigt wird, etwa bei Atomuhren oder in der Spektroskopie.

In der herkömmlichen Spektroskopie kann ein Frequenzkamm als „optisches Lineal“ verwendet werden, wenn eine Probe mit einem anderen Laser untersucht wird. „Sie haben einen Dauerstrichlaser [CW], der mit der Probe interagiert, die Sie analysieren möchten, und Sie möchten die absolute Frequenz dieses CW-Lasers messen“, erklärt Nathalie Picqué des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik. „Und dafür schlägt man den Laser mit dem Frequenzkamm. Der Frequenzkamm gibt Ihnen also die Möglichkeit, jede beliebige Frequenz zu messen, aber zu einem bestimmten Zeitpunkt messen Sie nur eine.“

Intensitätsänderungen

Im Gegensatz dazu wird die Probe bei der Doppelkammspektroskopie breitbandigem Licht aus einem Frequenzkamm selbst ausgesetzt. Da der Eingang breitbandig ist, ist auch der Ausgang breitbandig. Das durch die Probe hindurchtretende Licht verbindet sich jedoch mit dem Licht eines zweiten Frequenzkamms mit einer etwas anderen Folgefrequenz an einem Interferometer. Die wechselnde Intensität des aus dem Interferometer austretenden Lichts wird aufgezeichnet (siehe Abbildung).

Wenn die Probe nicht mit dem ersten Frequenzkamm interagiert hat, spiegelt die periodische Intensitätsänderung lediglich den Unterschied in der Wiederholungsfrequenz zwischen den Kämmen wider. Wenn die Probe jedoch Licht vom Kamm absorbiert, verändert dies die Form der Intensitätsmodulation. Die absorbierten Frequenzen können aus einer Fourier-Transformation dieses zeitlichen Interferenzmusters wiederhergestellt werden.

Die Doppelkammspektroskopie war bei Infrarotfrequenzen sehr erfolgreich. Der Einsatz der Technik bei höheren Frequenzen ist jedoch problematisch. „Es gibt keine ultraschnellen Laser, die direkt im ultravioletten Bereich emittieren“, erklärt Picqué. „Sie müssen also eine nichtlineare Frequenzumwandlung verwenden, und je mehr Sie in den ultravioletten Bereich vordringen möchten, desto mehr Stufen der nichtlinearen Frequenzumwandlung.“ du brauchst." Die nichtlineare Frequenzaufwärtskonvertierung ist sehr ineffizient, sodass die Leistung in jeder Stufe abnimmt.

Lösung mit geringem Stromverbrauch

Bisher haben sich die meisten Forscher darauf konzentriert, die Leistung des einfallenden Infrarotlasers zu erhöhen. „Sie haben ein sehr anspruchsvolles Experiment mit Hochleistungslasern, viel Lärm und einem sehr teuren System“, sagt Picqué. In der neuen Forschung haben Picqué, Hänsch und Kollegen vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik daher ein System mit deutlich geringerer geforderter Leistung geschaffen.

Die Forscher wandelten zwei Infrarotkämme zweimal hoch, zuerst in einem Lithiumniobat-Kristall und dann in Wismuttriborat. Die resultierenden Ultraviolettkämme erzeugten durchschnittliche optische Leistungen von höchstens 50 pW. Eines davon leiteten die Forscher durch eine Zelle mit erhitztem Cäsiumgas, während das andere direkt zum Interferometer geschickt wurde. Ein Arm des Interferometers wurde zu einem Einzelphotonenzähler geschickt. „Es gibt wirklich sehr wenige Zählungen“, sagt Picqué; „Wenn man einen Scan durchführt, sieht das Signal nach nichts aus.“ Anschließend wiederholten sie jedoch immer wieder genau denselben Scan. „Wenn wir den Scan 100,000 oder fast eine Million Mal wiederholen, erhalten wir unser Zeitbereichsinterferenzsignal, das ist das Signal, nach dem wir suchen.“

In rund 150 Sekunden Scanzeit konnten die Forscher zwei Atomübergänge in Cäsium auflösen, die ähnliche Frequenzen haben, mit Signal-Rausch-Verhältnissen von etwa 200. Sie konnten auch die Aufspaltung eines der Übergänge beobachten, die durch die Hyperfeinwechselwirkung verursacht wurde .

„Die Idee, bei sehr schlechten Lichtverhältnissen zu arbeiten, ist völlig kontraintuitiv“, sagt Picqué. „Wir zeigen, dass die Technik mit optischen Leistungen arbeiten kann, die eine Million Mal schwächer sind als die bisher verwendeten.“ Sie hoffen nun, zu noch kürzeren Wellenlängen im Vakuum-Ultraviolett vorzustoßen. Abgesehen von der Ultraviolettspektroskopie könnte sich die Möglichkeit, Doppelkammspektroskopie bei sehr niedrigen Leistungen zu nutzen, auch in einer Vielzahl anderer Situationen als nützlich erweisen, erklärt Picqué, beispielsweise wenn Proben anfällig für Strahlungsschäden sind.

Experte für Doppelkämme Jason Jones von der University of Arizona, der Experimente bis weit ins Vakuum-Ultraviolett durchführt, ist von der Max-Planck-Arbeit begeistert. „Egal wie weit man ins Ultraviolett vordringt, aufgrund der Art und Weise, wie es erzeugt wird, ist immer eine Mindestlichtmenge vorhanden. Wenn man also weniger Licht verwenden kann, kann man immer tiefer vordringen“, sagt er. „Dafür ist es von Bedeutung, einzelne Photonen verwenden zu können und dennoch gute spektroskopische Signal-Rausch-Ergebnisse zu erzielen.“

Die Forschung ist beschrieben in Natur.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/ultraviolet-dual-comb-spectroscopy-system-counts-single-photons/