Az ultraibolya kettős fésűs spektroszkópiai rendszer egyetlen fotont számol – 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/Természet/ CC BY 4.0 DEED)” title=”Kattintson a kép megnyitásához a felugró ablakban” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/03/ultraviolet-dual-comb-spectroscopy-system-counts- single-photons-physics-world.jpg”>

A kettős fésűs spektroszkópiát – a két frekvenciafésű közötti interferenciát kihasználó abszorpciós spektroszkópiát – ultraibolya hullámhosszon, egyetlen fotonok felhasználásával végezték. A munka a technika rövidebb hullámhosszon történő alkalmazásához vezethet, ahol nem állnak rendelkezésre nagy teljesítményű fésűs lézerek. A technika új alkalmazásokat is találhat.

A 21. század hajnalán történt feltalálásuk óta a frekvenciafésűk az optika fontos eszközeivé váltak. Ennek eredményeként Theodor Hänsch a Max Planck Institute for Quantum Optics Németországban és John Hall Az Egyesült Államok Nemzeti Szabványügyi és Technológiai Intézete 2005-ös Nobel-díjat kapott találmányukért. A frekvenciafésű rövid, periodikus fényimpulzusokból áll, amelyek nagyon széles fényspektrumot tartalmaznak, intenzitáscsúcsokkal szabályos frekvenciaintervallumokban – a fésű fogaihoz hasonlóan. Az ilyen spektrumok különösen akkor hasznosak, amikor pontosan meghatározott frekvenciájú fényre van szükség, például atomórákban vagy spektroszkópiában.

A hagyományos spektroszkópiában a frekvenciafésű használható „optikai vonalzóként”, amikor egy mintát egy másik lézerrel szondáznak. „Van egy folyamatos hullámú [CW] lézer, amely kölcsönhatásba lép az elemezni kívánt mintával, és meg szeretné mérni ennek a CW lézernek az abszolút frekvenciáját” – magyarázza. Nathalie Picqué a Max Planck Kvantumoptikai Intézet munkatársa. „És erre a frekvenciafésűvel verte a lézert. A frekvenciafésű tehát lehetőséget ad bármilyen frekvencia mérésére, de egy adott időpontban csak egyet.

Intenzitás változik

Ezzel szemben a kettős fésűs spektroszkópia a mintát a frekvenciafésűből származó szélessávú fénynek teszi ki. Mivel a bemenet szélessávú, a kimenet is szélessávú. A mintán áthaladó fény azonban egy interferométeren kissé eltérő ismétlési frekvenciájú második frekvenciafésű fényével kombinálódik. Az interferométerből kiáramló fény változó intenzitását rögzítjük (lásd az ábrát).

Ha a minta nem lép kölcsönhatásba az első frekvenciafésűvel – a periodikus intenzitásváltozás egyszerűen a fésűk közötti ismétlési gyakoriság különbségét tükrözi. Ha azonban a minta elnyeli a fényt a fésűből, ez megváltoztatja az intenzitásmoduláció alakját. Az elnyelt frekvenciák ennek az időbeli interferencia-mintának a Fourier-transzformációjával állíthatók vissza.

A kettős fésűs spektroszkópia nagyon sikeres volt az infravörös frekvenciákon. A technika magasabb frekvenciákon való alkalmazása azonban problémás. „Nincsenek olyan ultragyors lézerek, amelyek közvetlenül az ultraibolya tartományba bocsátanak ki” – magyarázza Picqué –, ezért nemlineáris frekvenciaátalakítást kell alkalmazni, és minél inkább az ultraibolya sugárzásba akarunk belemenni, annál több szakaszból áll a nemlineáris frekvenciaátalakítás. szükséged van." A nemlineáris frekvencia-fel átalakítás nagyon nem hatékony, ezért a teljesítmény minden szakaszban csökken.

Alacsony fogyasztású megoldás

Eddig a legtöbb kutató a bejövő infravörös lézer teljesítményének növelésére összpontosított. „Nagyon kihívásokkal teli kísérletben van a nagy teljesítményű lézerekkel, sok zajjal és egy nagyon drága rendszerrel” – mondja Picqué. Az új kutatásban ezért Picqué, Hänsch és munkatársai a Max Planck Kvantumoptikai Intézetben egy sokkal kisebb teljesítményigényű rendszert hoztak létre.

A kutatók két infravörös fésűt kétszer alakítottak át, először lítium-niobát kristályban, majd bizmut-triborátban. Az így kapott ultraibolya fésűk átlagosan legfeljebb 50 pW optikai teljesítményt generáltak. A kutatók ezek közül az egyiket egy fűtött céziumgáz cellán vezették át, míg a másikat egyenesen az interferométerbe küldték. Az interferométer egyik karját egyetlen fotonszámlálóhoz küldték. „Valóban nagyon kevés szám van” – mondja Picqué; "Ha egy pásztázást végez, a jel nem tűnik semminek." Ezután azonban újra és újra megismételték ugyanazt a vizsgálatot. "Ha 100,000 XNUMX-szer vagy közel egymilliószor megismételjük a pásztázást, megkapjuk az időtartomány-interferencia jelünket, ami az a jel, amit keresünk."

Körülbelül 150 s pásztázási idő alatt a kutatók két hasonló frekvenciájú atomi átmenetet tudtak feloldani a céziumban, körülbelül 200 jel-zaj aránnyal. Megfigyelték az egyik átmenetnek a hiperfinom kölcsönhatás által okozott felhasadását is. .

„Az a gondolat, hogy nagyon gyenge fényviszonyok mellett dolgozzunk, nagyon ellentmondásos” – mondja Picqué. „Megmutatjuk, hogy a technika olyan optikai teljesítményekkel is működhet, amelyek egymilliószor gyengébbek, mint a korábban használtak.” Most azt remélik, hogy a vákuum ultraibolya sugárzásában még rövidebb hullámhosszakat tudnak elérni. Az ultraibolya spektroszkópián kívül a kétfésűs spektroszkópia nagyon alacsony teljesítményű felhasználásának képessége számos más helyzetben is hasznosnak bizonyulhat, magyarázza Picqué, például ott, ahol a minták hajlamosak a sugárzási károsodásra.

Kettős fésűs szakértő Jason Jones Az Arizonai Egyetem munkatársa, aki messze a vákuum ultraibolya sugárzásában végez kísérleteket, lelkes Max Planck munkájáért. „Nem számít, milyen messzire megy az ultraibolya sugárzásba, a keletkezési módja miatt mindig lesz minimális fénymennyiség, így ha kevesebb fényt tud használni, mindig képes lesz mélyebbre menni” – mondja. „Ehhez fontos, hogy egyetlen fotont használjunk, és még mindig jó jel-zaj spektroszkópiai eredményeket kapjunk.”

A kutatás leírása a Természet.

• SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Erősítse meg magát. Hozzáférés itt.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
• PlatoESG. Carbon, CleanTech, Energia, Környezet, Nap, Hulladékgazdálkodás. Hozzáférés itt.
• PlatoHealth. Biotechnológiai és klinikai vizsgálatok intelligencia. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://physicsworld.com/a/ultraviolet-dual-comb-spectroscopy-system-counts-single-photons/