Ultraviolettinen kaksikampaspektroskopiajärjestelmä laskee yksittäisiä fotoneja – 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 ai/luonto/ CC BY 4.0 DEED)” title=”Avaa kuva ponnahdusikkunassa napsauttamalla” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/03/ultraviolet-dual-comb-spectroscopy-system-counts- single-photons-physics-world.jpg”>

Kaksikampaspektroskopiaa – absorptiospektroskopiaa, joka hyödyntää kahden taajuuskamman välistä interferenssiä – on suoritettu ultraviolettiaallonpituuksilla käyttämällä yksittäisiä fotoneja. Työ voi johtaa tekniikan käyttöön lyhyemmillä aallonpituuksilla, joilla suuritehoisia kampalasereita ei ole saatavilla. Tekniikalle voi löytyä myös uusia sovelluksia.

21-luvun aamunkoitteessa keksimisestä lähtien taajuuskampoista on tullut tärkeitä työkaluja optiikassa. Tuloksena, Theodor Hänsch Max Planckin kvanttioptiikan instituutista Saksassa ja John Hall Yhdysvaltain kansallisen standardointi- ja teknologiainstituutin edustaja jakoi vuoden 2005 Nobel-palkinnon keksinnöstään. Taajuuskampa koostuu lyhyistä, jaksoittaisista valopulsseista, jotka sisältävät erittäin laajan valospektrin ja joiden intensiteettihuiput ovat säännöllisin taajuusvälein – kamman hampaita muistuttavia. Tällaiset spektrit ovat erityisen hyödyllisiä aina, kun tarvitaan valoa tarkasti määritellyllä taajuudella, kuten atomikelloissa tai spektroskopiassa.

Perinteisessä spektroskopiassa taajuuskampaa voidaan käyttää "optisena viivaimena", kun näytettä tutkitaan toisella laserilla. "Sinulla on jatkuvan aallon [CW] laser, joka on vuorovaikutuksessa analysoitavan näytteen kanssa ja haluat mitata tämän CW-laserin absoluuttisen taajuuden", selittää. Nathalie Picqué Max Planckin kvanttioptiikan instituutista. "Ja tätä varten voitit laserin taajuuskammalla. Joten taajuuskampa antaa sinulle mahdollisuuden mitata mitä tahansa taajuutta, mutta tiettynä aikana mittaat vain yhden."

Intensiteetti muuttuu

Sitä vastoin kaksoiskamman spektroskopia altistaa näytteen itse taajuuskammasta tulevalle laajakaistavalolle. Koska tulo on laajakaista, myös lähtö on laajakaista. Näytteen läpi kulkeva valo kuitenkin yhdistyy toisen taajuuskamman valon kanssa, jolla on hieman erilainen toistotaajuus interferometrissä. Interferometristä tulevan valon muuttuva intensiteetti tallennetaan (katso kuva).

Jos näyte ei ole ollut vuorovaikutuksessa ensimmäisen taajuuskamman kanssa – jaksollinen intensiteetin muutos heijastaa vain eroa toistotiheydessä kampajen välillä. Jos näyte kuitenkin absorboi valoa kampasta, tämä muuttaa intensiteettimodulaation muotoa. Absorboituneet taajuudet voidaan palauttaa tämän ajallisen häiriökuvion Fourier-muunnoksesta.

Kaksikampaspektroskopia on ollut erittäin onnistunut infrapunataajuuksilla. Tekniikan käyttäminen korkeammilla taajuuksilla on kuitenkin ongelmallista. "Ei ole ultranopeita lasereita, jotka säteilevät suoraan ultraviolettialueella", Picqué selittää, "joten sinun on käytettävä epälineaarista taajuusmuutosta, ja mitä enemmän haluat mennä ultraviolettisäteilyyn, sitä useammissa vaiheissa epälineaarinen taajuusmuunnos on tarvitset." Epälineaarinen taajuuden ylösmuunnos on erittäin tehotonta, joten teho laskee jokaisessa vaiheessa.

Pienitehoinen ratkaisu

Toistaiseksi useimmat tutkijat ovat keskittyneet lisäämään tulevan infrapunalaserin tehoa. "Teillä on erittäin haastava kokeilu suuritehoisilla lasereilla, paljon melua ja erittäin kallista järjestelmää", Picqué sanoo. Siksi Picqué, Hänsch ja kollegansa Max Planckin kvanttioptiikan instituutista loivat uudessa tutkimuksessa järjestelmän, jonka vaadittu teho on paljon pienempi.

Tutkijat muunsivat kaksi infrapunakampaa kahdesti, ensin litiumniobaattikiteeksi ja sitten vismuttitriboraatiksi. Tuloksena saadut ultraviolettikammat tuottivat korkeintaan 50 pW:n keskimääräisiä optisia tehoja. Tutkijat kuljettivat yhden niistä lämmitetyn cesiumkaasukennon läpi, kun taas toinen lähetettiin suoraan interferometriin. Interferometrin yksi varsi lähetettiin yhden fotonilaskuriin. "Laskeja on todella vähän", Picqué sanoo; "Jos otat yhden skannauksen, signaali ei näytä miltään." He kuitenkin toistivat täsmälleen saman skannauksen yhä uudelleen ja uudelleen. "Kun toistamme skannauksen 100,000 XNUMX tai lähes miljoona kertaa, saamme aikatason häiriösignaalimme, jota etsimme."

Noin 150 sekunnissa skannausajassa tutkijat pystyivät ratkaisemaan kaksi cesiumin atomisiirtymää, joilla on samanlaiset taajuudet, signaali-kohinasuhteilla noin 200. He pystyivät myös havaitsemaan yhden siirtymän halkeamisen, joka johtuu hyperhienosta vuorovaikutuksesta. .

"Ajatus työskentelystä erittäin heikossa valaistuksessa on hyvin ristiriitainen", Picqué sanoo. "Näytämme, että tekniikka voi toimia optisilla tehoilla, jotka ovat miljoona kertaa heikommat kuin mitä on aiemmin käytetty." He toivovat nyt pääsevänsä vielä lyhyemmille aallonpituuksille tyhjiöultravioletissa. Ultraviolettispektroskopian lisäksi kyky hyödyntää kaksikampaspektroskopiaa erittäin pienillä tehoilla voi osoittautua hyödylliseksi monissa muissa tilanteissa, Picqué selittää, esimerkiksi silloin, kun näytteet ovat alttiita säteilyvaurioille.

Kaksoiskamman asiantuntija Jason Jones Arizonan yliopistosta, joka tekee kokeita pitkälle tyhjiöultravioletiin, on innostunut Max Planckin työstä. "Riippumatta siitä, kuinka pitkälle menet ultraviolettisäteilyyn, sinulla on aina pieni vähimmäismäärä valoa sen muodostumistavan vuoksi, joten jos voit käyttää vähemmän valoa, voit aina mennä syvemmälle", hän sanoo. "Sille on tärkeää, että voidaan käyttää yksittäisiä fotoneja ja silti saada hyvät signaali-kohinaspektroskooppiset tulokset."

Tutkimusta kuvataan luonto.

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• PlatoData.Network Vertical Generatiivinen Ai. Vahvista itseäsi. Pääsy tästä.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• PlatoESG. hiili, CleanTech, energia, ympäristö, Aurinko, Jätehuolto. Pääsy tästä.
• PlatonHealth. Biotekniikan ja kliinisten kokeiden älykkyys. Pääsy tästä.
• Lähde: https://physicsworld.com/a/ultraviolet-dual-comb-spectroscopy-system-counts-single-photons/