Ultraviolett kahe kammiga spektroskoopia süsteem loendab üksikuid footoneid – 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/loodus/ CC BY 4.0 DEED)” title=”Pildi avamiseks hüpikaknas klõpsake” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/03/ultraviolet-dual-comb-spectroscopy-system-counts- single-photons-physics-world.jpg”>

Kahe kammiga spektroskoopia – neeldumisspektroskoopia, mis kasutab kahe sageduskammi vahelisi häireid – on läbi viidud ultraviolettkiirguse lainepikkustel, kasutades üksikuid footoneid. Töö võib viia tehnika kasutamiseni lühematel lainepikkustel, kus suure võimsusega kammlaserid pole saadaval. Tehnika võiks leida ka uusi rakendusi.

Alates nende leiutamisest 21. sajandi koidikul on sageduskammidest saanud optika olulised tööriistad. Tulemusena, Theodor Hänsch Max Plancki Kvantoptika Instituudist Saksamaal ja Johannese saal USA riikliku standardi- ja tehnoloogiainstituudi esindajad jagasid oma leiutise eest 2005. aasta Nobeli preemiat. Sageduskamm koosneb lühikestest perioodilistest valgusimpulssidest, mis sisaldavad väga laia valgusspektrit, mille intensiivsus on regulaarsete sagedusvahemike järel – meenutades kammi hambaid. Sellised spektrid on eriti kasulikud alati, kui on vaja täpselt määratletud sagedusega valgust, näiteks aatomkellades või spektroskoopias.

Traditsioonilises spektroskoopias saab proovi sondeerimisel teise laseriga kasutada sageduskammi "optilise joonlauana". "Teil on pidevlaine [CW] laser, mis suhtleb prooviga, mida soovite analüüsida, ja soovite mõõta selle CW laseri absoluutset sagedust, " selgitab Nathalie Picqué Max Plancki kvantoptika instituudist. "Ja selleks peksid sa laserit sageduskammiga. Nii et sageduskamm annab teile võimaluse mõõta mis tahes sagedust, kuid teatud ajahetkel mõõdate ainult ühte.

Intensiivsus muutub

Seevastu kahe kammiga spektroskoopia paljastab proovi sageduskammi enda lairibavalgusega. Kuna sisendiks on lairiba, on ka väljund lairiba. Proovi läbiv valgus aga kombineerub interferomeetril veidi erineva kordussagedusega teise sageduskammi valgusega. Registreeritakse interferomeetrist väljuva valguse muutuv intensiivsus (vt joonis).

Kui valim ei ole esimese sagedusega kammiga suhelnud – perioodiline intensiivsuse muutus peegeldab lihtsalt kammide kordussageduse erinevust. Kui aga proov neelab kammist valgust, muudab see intensiivsuse modulatsiooni kuju. Neeldunud sagedusi saab taastada selle ajalise interferentsi mustri Fourier' teisendusest.

Kahe kammiga spektroskoopia on infrapuna sagedustel olnud väga edukas. Tehnika kasutamine kõrgematel sagedustel on aga problemaatiline. "Ei ole ülikiireid lasereid, mis kiirgaksid otse ultraviolettkiirguse piirkonnas," selgitab Picqué, "seega peate kasutama mittelineaarset sagedusmuundust ja mida rohkem soovite ultraviolettkiirgusse minna, seda rohkem on mittelineaarse sagedusmuunduse etappe. sa vajad." Mittelineaarne sageduse ülesmuundamine on väga ebaefektiivne, nii et võimsus langeb igal etapil.

Madala võimsusega lahendus

Seni on enamik teadlasi keskendunud sissetuleva infrapunalaseri võimsuse suurendamisele. "Teil on väga keeruline katse suure võimsusega laseritega, palju müra ja väga kallis süsteem," ütleb Picqué. Seetõttu lõi Picqué, Hänsch ja kolleegid Max Plancki kvantoptika instituudist uues uuringus süsteemi, mille nõutav võimsus on palju väiksem.

Teadlased muutsid kaks infrapunakammi kaks korda üles, esmalt liitiumniobaadi kristallis ja seejärel vismuttriboraadis. Saadud ultraviolettkammid tekitasid keskmise optilise võimsuse kuni 50 pW. Teadlased lasid ühe neist läbi kuumutatud tseesiumgaasi raku, teine ​​aga otse interferomeetrisse. Interferomeetri üks käsi saadeti ühe footoni loendurile. "Seal on tõesti väga vähe loendeid," ütleb Picqué; "Kui skannite ühe korra, ei näe signaal välja nagu midagi." Seejärel kordasid nad aga täpselt sama skannimist ikka ja jälle. "Kui kordame skaneerimist 100,000 XNUMX või peaaegu miljon korda, saame oma ajapiirkonna häiresignaali, mis on signaal, mida me otsime."

Umbes 150-sekundilise skaneerimisaja jooksul suutsid teadlased tseesiumis lahendada kaks sarnase sagedusega aatomi üleminekut signaali-müra suhtega umbes 200. Samuti võisid nad jälgida ühe ülemineku lõhenemist, mis on põhjustatud ülipeenest interaktsioonist. .

"Mõte töötada väga vähese valgusega on väga vastuoluline," ütleb Picqué. "Näitame, et see tehnika võib töötada optiliste võimsustega, mis on miljon korda nõrgemad kui varem kasutatud." Nüüd loodavad nad vaakum-ultraviolettides jõuda veelgi lühematele lainepikkustele. Lisaks ultraviolett-spektroskoopiale võib kahe kammiga spektroskoopia kasutamine väga väikese võimsusega olla kasulik ka paljudes muudes olukordades, selgitab Picqué, näiteks juhtudel, kui proovid on altid kiirguskahjustustele.

Kahe kammiga ekspert Jason Jones Arizona ülikoolist, kes katsetab kaugele vaakum-ultravioletti, on Max Plancki tööst entusiastlik. "Ükskõik, kui kaugele te ultraviolettkiirgusesse lähete, on teil selle tekitamise viisi tõttu alati minimaalne valgushulk, nii et kui saate vähem valgust kasutada, saate alati minna sügavamale, " ütleb ta. "Selle jaoks on oluline võimalus kasutada üksikuid footoneid ja saada siiski häid signaali-müra spektroskoopilisi tulemusi."

Uuringut kirjeldatakse artiklis loodus.

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• PlatoData.Network Vertikaalne generatiivne Ai. Jõustage ennast. Juurdepääs siia.
• PlatoAiStream. Web3 luure. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• PlatoESG. Süsinik, CleanTech, Energia, Keskkond päikeseenergia, Jäätmekäitluse. Juurdepääs siia.
• PlatoTervis. Biotehnoloogia ja kliiniliste uuringute luureandmed. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://physicsworld.com/a/ultraviolet-dual-comb-spectroscopy-system-counts-single-photons/