Sistem spektroskopi sisir ganda ultraviolet menghitung foton tunggal – Dunia Fisika

<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/Alam/ CC BY 4.0 DEED)” title=”Klik untuk membuka gambar di popup” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/03/ultraviolet-dual-comb-spectrcopy-system-counts- dunia-fisika-foton-tunggal.jpg”>

Spektroskopi sisir ganda – spektroskopi serapan yang memanfaatkan interferensi antara dua sisir frekuensi – telah dilakukan pada panjang gelombang ultraviolet menggunakan foton tunggal. Pekerjaan ini dapat mengarah pada penggunaan teknik ini pada panjang gelombang yang lebih pendek, di mana laser sisir berkekuatan tinggi tidak tersedia. Teknik ini juga dapat menemukan penerapan baru.

Sejak penemuannya pada awal abad ke-21, sisir frekuensi telah menjadi alat penting dalam optik. Sebagai akibat, Theodor Hansch dari Institut Max Planck untuk Optik Kuantum di Jerman dan John Hall dari Institut Nasional untuk Standar dan Teknologi AS membagikan Hadiah Nobel 2005 atas penemuan mereka. Sisir frekuensi terdiri dari pulsa cahaya pendek dan periodik yang mengandung spektrum cahaya yang sangat luas dengan puncak intensitas pada interval frekuensi teratur – menyerupai gigi sisir. Spektrum seperti itu sangat berguna ketika diperlukan cahaya pada frekuensi yang ditentukan secara tepat, seperti pada jam atom atau spektroskopi.

Dalam spektroskopi tradisional, sisir frekuensi dapat digunakan sebagai “penggaris optik” saat memeriksa sampel dengan laser lain. “Anda memiliki laser gelombang kontinu [CW] yang berinteraksi dengan sampel yang ingin Anda analisis dan Anda ingin mengukur frekuensi absolut laser CW ini,” jelasnya. Nathalie Picque dari Institut Optik Kuantum Max Planck. “Dan untuk ini Anda mengalahkan laser dengan sisir frekuensi. Jadi sisir frekuensi memberi Anda kemungkinan untuk mengukur frekuensi apa pun tetapi pada waktu tertentu Anda hanya mengukur satu frekuensi.”

Perubahan intensitas

Sebaliknya, spektroskopi sisir ganda memaparkan sampel pada cahaya broadband dari sisir frekuensi itu sendiri. Karena inputnya adalah broadband, maka outputnya juga broadband. Namun, cahaya yang melewati sampel digabungkan dengan cahaya dari sisir frekuensi kedua dengan frekuensi pengulangan yang sedikit berbeda pada interferometer. Perubahan intensitas cahaya yang muncul dari interferometer dicatat (lihat gambar).

Jika sampel belum berinteraksi dengan sisir frekuensi pertama – perubahan intensitas periodik hanya mencerminkan perbedaan frekuensi pengulangan antar sisir. Namun, jika sampel menyerap cahaya dari sisir, hal ini mengubah bentuk modulasi intensitas. Frekuensi yang diserap dapat diperoleh kembali dari transformasi Fourier pola interferensi temporal ini.

Spektroskopi sisir ganda telah sangat berhasil pada frekuensi inframerah. Namun, menggunakan teknik ini pada frekuensi yang lebih tinggi menimbulkan masalah. “Tidak ada laser ultracepat yang memancarkan sinar ultraviolet secara langsung,” jelas Picqué, “jadi Anda perlu menggunakan konversi frekuensi non-linier, dan semakin Anda ingin beralih ke sinar ultraviolet, semakin banyak tahapan konversi frekuensi non-linier. kamu membutuhkannya.” Konversi frekuensi non-linier sangat tidak efisien, sehingga daya turun pada setiap tahap.

Solusi berdaya rendah

Sejauh ini, sebagian besar peneliti berfokus pada peningkatan kekuatan laser inframerah yang masuk. “Anda menghadapi eksperimen yang sangat menantang dengan laser berkekuatan tinggi, banyak kebisingan, dan sistem yang sangat mahal,” kata Picqué. Oleh karena itu, dalam penelitian baru, Picqué, Hänsch dan rekannya di Institut Max Planck untuk Optik Kuantum menciptakan sistem dengan permintaan daya yang jauh lebih rendah.

Para peneliti mengkonversi dua sisir inframerah dua kali, pertama dalam kristal lithium niobate dan kemudian dalam bismuth triborate. Sisir ultraviolet yang dihasilkan menghasilkan kekuatan optik rata-rata paling banyak 50 pW. Para peneliti melewatkan salah satunya melalui sel gas cesium yang dipanaskan, sementara yang lainnya dikirim langsung ke interferometer. Salah satu lengan interferometer dikirim ke penghitung foton tunggal. “Jumlahnya sangat sedikit,” kata Picqué; “Jika Anda melakukan satu pemindaian, sinyalnya tidak terlihat seperti apa pun.” Namun, mereka kemudian mengulangi pemindaian yang sama berulang kali. “Saat kami mengulangi pemindaian 100,000 atau hampir satu juta kali, kami mendapatkan sinyal interferensi domain waktu, yang merupakan sinyal yang kami cari.”

Dalam waktu pemindaian sekitar 150 detik, para peneliti dapat menyelesaikan dua transisi atom dalam cesium yang memiliki frekuensi serupa, dengan rasio signal-to-noise sekitar 200. Mereka juga dapat mengamati pemisahan salah satu transisi yang disebabkan oleh interaksi hyperfine. .

“Ide bekerja pada tingkat cahaya yang sangat rendah sangat berlawanan dengan intuisi,” kata Picqué. “Kami menunjukkan bahwa teknik ini dapat bekerja dengan kekuatan optik yang satu juta kali lebih lemah dibandingkan yang telah digunakan sebelumnya.” Mereka sekarang berharap untuk mendorong panjang gelombang yang lebih pendek dalam ruang hampa ultraviolet. Selain spektroskopi ultraviolet, kemampuan untuk menggunakan spektroskopi sisir ganda dengan kekuatan yang sangat rendah terbukti berguna dalam berbagai situasi lain, jelas Picqué, seperti ketika sampel rentan terhadap kerusakan radiasi.

Ahli sisir ganda Jason Jones dari Universitas Arizona, yang melakukan eksperimen ultraviolet jauh di ruang hampa, sangat antusias dengan karya Max Planck. “Tidak peduli seberapa jauh Anda terpapar sinar ultraviolet, Anda akan selalu mendapatkan jumlah cahaya minimum karena cara cahaya tersebut dihasilkan, jadi jika Anda dapat menggunakan lebih sedikit cahaya, Anda akan selalu bisa masuk lebih dalam,” katanya. “Mampu menggunakan foton tunggal dan tetap mendapatkan hasil spektroskopi signal-to-noise yang baik adalah hal yang penting.”

Penelitian tersebut dijelaskan dalam Alam.

• Konten Bertenaga SEO & Distribusi PR. Dapatkan Amplifikasi Hari Ini.
• PlatoData.Jaringan Vertikal Generatif Ai. Berdayakan Diri Anda. Akses Di Sini.
• PlatoAiStream. Intelijen Web3. Pengetahuan Diperkuat. Akses Di Sini.
• PlatoESG. Karbon, teknologi bersih, energi, Lingkungan Hidup, Tenaga surya, Penanganan limbah. Akses Di Sini.
• PlatoHealth. Kecerdasan Uji Coba Biotek dan Klinis. Akses Di Sini.
• Sumber: https://physicsworld.com/a/ultraviolet-dual-comb-spectroscopy-system-counts-single-photons/