Ultrafiolett dual-comb spektroskopisystem teller enkeltfotoner – Physics World

Ultrafiolett dual-comb spektroskopisystem teller enkeltfotoner – Physics World

Tidsstempel: 13. mars 2024 9:50

<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/Natur/ CC BY 4.0 DEED)” title=”Klikk for å åpne bildet i popup” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/03/ultraviolet-dual-comb-spectroscopy-system-counts- single-photons-physics-world.jpg">Dobbel kam spektroskopi
Slik fungerer det: toppfrekvenskammen føres gjennom en prøve av interesse og deretter inn i en stråledeler. Den nederste frekvenskammen opererer med en litt annen pulsrepetisjonsfrekvens og kombineres med toppkammen i stråledeleren. Fotoner i den kombinerte strålen telles av en detektor. (Med tillatelse: Bingxin Xu et al/Natur/ CC BY 4.0 DEED)

Dual-comb spektroskopi - absorpsjonsspektroskopi som utnytter interferensen mellom to frekvenskammer - har blitt utført ved ultrafiolette bølgelengder ved bruk av enkeltfotoner. Arbeidet kan føre til bruk av teknikken ved kortere bølgelengder, hvor høyeffekts kamlasere ikke er tilgjengelige. Teknikken kan også finne nye anvendelser.

Siden oppfinnelsen deres ved begynnelsen av det 21. århundre, har frekvenskammer blitt viktige verktøy innen optikk. Som et resultat, Theodor Hänsch fra Max Planck Institute for Quantum Optics i Tyskland og John Hall fra US National Institute for Standards and Technology delte 2005 Nobelprisen for sin oppfinnelse. En frekvenskam består av korte, periodiske lyspulser som inneholder et veldig bredt lysspekter med intensitetstopper med jevne frekvensintervaller – som ligner tennene til en kam. Slike spektre er spesielt nyttige når lys med en nøyaktig definert frekvens er nødvendig, for eksempel i atomklokker eller spektroskopi.

I tradisjonell spektroskopi kan en frekvenskam brukes som en "optisk linjal" når du sonderer en prøve med en annen laser. "Du har en kontinuerlig bølge [CW] laser som samhandler med prøven du vil analysere, og du vil måle den absolutte frekvensen til denne CW laseren," forklarer Nathalie Picqué fra Max Planck Institute of Quantum Optics. "Og for dette slår du laseren med frekvenskammen. Så frekvenskammen gir deg muligheten til å måle hvilken som helst frekvens, men på et gitt tidspunkt måler du bare én."

Intensiteten endres

I motsetning til dette eksponerer dual-comb spektroskopi prøven for bredbåndslys fra en frekvenskam selv. Siden inngangen er bredbånd, er utgangen også bredbånd. Imidlertid kombineres lyset som passerer gjennom prøven med lyset fra en andre frekvenskam med en litt annen repetisjonsfrekvens ved et interferometer. Den skiftende intensiteten til lyset som kommer ut fra interferometeret registreres (se figur).

Hvis prøven ikke har interagert med den første frekvenskammen – reflekterer den periodiske intensitetsendringen ganske enkelt forskjellen i repetisjonsfrekvensen mellom kammene. Men hvis prøven absorberer lys fra kammen, endrer dette formen på intensitetsmodulasjonen. De absorberte frekvensene kan gjenvinnes fra en Fourier-transformasjon av dette tidsmessige interferensmønsteret.

Dual-comb spektroskopi har vært svært vellykket ved infrarøde frekvenser. Å bruke teknikken ved høyere frekvenser er imidlertid problematisk. "Det er ingen ultraraske lasere som sender ut direkte i det ultrafiolette området," forklarer Picqué, "så du må bruke ikke-lineær frekvenskonvertering, og jo mer du ønsker å gå inn i ultrafiolett, jo flere stadier av ikke-lineær frekvenskonvertering du trenger." Ikke-lineær frekvensoppkonvertering er veldig ineffektiv, så kraften synker på hvert trinn.

Lavstrømsløsning

Så langt har de fleste forskere fokusert på å øke kraften i den innkommende infrarøde laseren. "Du har et veldig utfordrende eksperiment med høyeffektlasere, mye støy og et veldig dyrt system," sier Picqué. I den nye forskningen skapte derfor Picqué, Hänsch og kolleger ved Max Planck Institute for Quantum Optics et system med mye lavere effekt etterspurt.

Forskerne oppkonverterte to infrarøde kammer to ganger, først i en litiumniobatkrystall og deretter i vismuttriborat. De resulterende ultrafiolette kammene genererte gjennomsnittlig optisk effekt på maksimalt 50 pW. Forskerne førte en av disse gjennom en celle med oppvarmet cesiumgass, mens den andre ble sendt rett til interferometeret. En arm av interferometeret ble sendt til en enkelt fotonteller. "Det er veldig få tellinger," sier Picqué; "Hvis du tar en skanning, ser ikke signalet ut som noe." Imidlertid gjentok de nøyaktig den samme skanningen om og om igjen. "Når vi gjentar skanningen 100,000 XNUMX eller nær en million ganger får vi vårt tidsdomeneinterferenssignal, som er signalet vi leter etter."

På rundt 150 s med skanningstid kunne forskerne løse to atomoverganger i cesium som har lignende frekvenser, med signal-til-støy-forhold på rundt 200. De kunne også observere splittelsen av en av overgangene forårsaket av den hyperfine interaksjonen .

"Ideen om å jobbe ved svært lave lysnivåer er veldig kontraintuitiv," sier Picqué. "Vi viser at teknikken kan fungere med optiske krefter som er en million ganger svakere enn det som har blitt brukt før." De håper nå å presse til enda kortere bølgelengder i vakuumet ultrafiolett. Bortsett fra ultrafiolett spektroskopi, kan kapasiteten til å bruke dual-comb spektroskopi ved svært lave styrker vise seg nyttig i en rekke andre situasjoner, forklarer Picqué, for eksempel der prøver er utsatt for strålingsskade.

Ekspert med dobbel kam Jason Jones fra University of Arizona, som gjør eksperimenter langt inn i vakuumet ultrafiolett er entusiastisk over Max Planck-arbeidet. "Uansett hvor langt du går inn i ultrafiolett, vil du alltid ha en minimumsmengde lys på grunn av måten det genereres på, så hvis du kan bruke mindre lys, vil du alltid kunne gå dypere," sier han. "Å være i stand til å bruke enkeltfotoner og fortsatt få gode signal-til-støy-spektroskopiske resultater er viktig for det."

Forskningen er beskrevet i Natur.

Tidstempel:

Mer fra Fysikkens verden