Sistema de espectroscopía ultravioleta de doble peine cuenta fotones individuales – 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/Naturaleza/ CC BY 4.0 DEED)” title=”Haga clic para abrir la imagen en la ventana emergente” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/03/ultraviolet-dual-comb-spectrcopy-system-counts- mundo-de-física-de-fotones-únicos.jpg”>

La espectroscopia de doble peine (espectroscopia de absorción que utiliza la interferencia entre dos peines de frecuencia) se ha realizado en longitudes de onda ultravioleta utilizando fotones individuales. El trabajo podría conducir al uso de la técnica en longitudes de onda más cortas, donde no se encuentran disponibles láseres de peine de alta potencia. La técnica también podría encontrar nuevas aplicaciones.

Desde su invención a principios del siglo XXI, los peines de frecuencia se han convertido en herramientas importantes en óptica. Como resultado, Theodor Hansch del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica en Alemania y John Hall del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de Estados Unidos compartieron el Premio Nobel de 2005 por su invención. Un peine de frecuencia consta de pulsos de luz cortos y periódicos que contienen un espectro de luz muy amplio con picos de intensidad a intervalos de frecuencia regulares, que se asemejan a los dientes de un peine. Estos espectros son particularmente útiles cuando se necesita luz en una frecuencia definida con precisión, como en los relojes atómicos o la espectroscopia.

En la espectroscopia tradicional, se puede utilizar un peine de frecuencia como “regla óptica” al sondear una muestra con otro láser. "Tiene un láser de onda continua [CW] que interactúa con la muestra que desea analizar y desea medir la frecuencia absoluta de este láser CW", explica Nathalie Picque del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica. “Y para ello se golpea al láser con el peine de frecuencia. Así que el peine de frecuencia te da la posibilidad de medir cualquier frecuencia pero en un momento dado solo mides una”.

Cambios de intensidad

Por el contrario, la espectroscopia de doble peine expone la muestra a luz de banda ancha procedente de un propio peine de frecuencia. Como la entrada es banda ancha, la salida también es banda ancha. Sin embargo, la luz que pasa a través de la muestra se combina con la luz de un segundo peine de frecuencia con una frecuencia de repetición ligeramente diferente en un interferómetro. Se registra la intensidad cambiante de la luz que sale del interferómetro (ver figura).

Si la muestra no ha interactuado con el primer peine de frecuencia, el cambio periódico de intensidad simplemente refleja la diferencia en la frecuencia de repetición entre los peines. Sin embargo, si la muestra absorbe luz del peine, esto altera la forma de la modulación de intensidad. Las frecuencias absorbidas se pueden recuperar a partir de una transformada de Fourier de este patrón de interferencia temporal.

La espectroscopia de doble peine ha tenido mucho éxito en frecuencias infrarrojas. Sin embargo, utilizar la técnica a frecuencias más altas resulta problemático. “No existen láseres ultrarrápidos que emitan directamente en la región ultravioleta”, explica Picqué, “por lo que es necesario utilizar una conversión de frecuencia no lineal, y cuanto más se quiera entrar en la región ultravioleta, más etapas de conversión de frecuencia no lineal necesitas." La conversión ascendente de frecuencia no lineal es muy ineficiente, por lo que la potencia cae en cada etapa.

Solución de bajo consumo

Hasta ahora, la mayoría de los investigadores se han centrado en aumentar la potencia del láser infrarrojo entrante. "Se trata de un experimento muy complicado con láseres de alta potencia, mucho ruido y un sistema muy caro", afirma Picqué. Por lo tanto, en la nueva investigación Picqué, Hänsch y sus colegas del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica crearon un sistema con una potencia requerida mucho menor.

Los investigadores convirtieron dos peines infrarrojos dos veces, primero en un cristal de niobato de litio y luego en triborato de bismuto. Los peines ultravioleta resultantes generaron potencias ópticas promedio de como máximo 50 pW. Los investigadores pasaron uno de ellos a través de una celda de gas de cesio calentado, mientras que el otro fue enviado directamente al interferómetro. Un brazo del interferómetro se envió a un contador de un solo fotón. “Realmente hay muy pocos recuentos”, afirma Picqué; "Si haces un escaneo, la señal no se parece a nada". Sin embargo, luego repitieron exactamente el mismo escaneo una y otra vez. "Cuando repetimos el escaneo 100,000 o cerca de un millón de veces obtenemos nuestra señal de interferencia en el dominio del tiempo, que es la señal que estamos buscando".

En aproximadamente 150 s de tiempo de escaneo, los investigadores pudieron resolver dos transiciones atómicas en cesio que tienen frecuencias similares, con relaciones señal-ruido de aproximadamente 200. También pudieron observar la división de una de las transiciones causada por la interacción hiperfina. .

“La idea de trabajar con niveles de luz muy bajos es muy contradictoria”, afirma Picqué. "Demostramos que la técnica puede funcionar con potencias ópticas que son un millón de veces más débiles que las utilizadas anteriormente". Ahora esperan avanzar hacia longitudes de onda aún más cortas en el ultravioleta del vacío. Aparte de la espectroscopia ultravioleta, la capacidad de utilizar espectroscopia de doble peine a potencias muy bajas podría resultar útil en muchas otras situaciones, explica Picqué, como cuando las muestras son propensas a sufrir daños por radiación.

Experto en doble peine Jason Jones Un profesor de la Universidad de Arizona, que realiza experimentos en el vacío ultravioleta, está entusiasmado con el trabajo de Max Planck. "No importa qué tan lejos te adentres en el ultravioleta, siempre tendrás una cantidad mínima de luz debido a la forma en que se genera, por lo que si puedes usar menos luz, siempre podrás profundizar", dice. "Para ello es importante poder utilizar fotones individuales y seguir obteniendo buenos resultados espectroscópicos de señal a ruido".

La investigación se describe en Naturaleza.

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