Dwugrzebieniowy system spektroskopii ultrafioletowej zlicza pojedyncze fotony – Świat Fizyki

<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 i wsp/Natura/ CC BY 4.0 DEED)” title=”Kliknij, aby otworzyć obraz w wyskakującym okienku” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/03/ultraviolet-dual-comb-spectrscopic-system-counts- pojedynczy-fotonów-świat-fizyki.jpg”>

Spektroskopia dwugrzebieniowa – spektroskopia absorpcyjna wykorzystująca interferencję pomiędzy dwoma grzebieniami częstotliwości – została przeprowadzona przy długościach fal ultrafioletowych przy użyciu pojedynczych fotonów. Prace mogą doprowadzić do zastosowania tej techniki przy krótszych długościach fal, gdzie niedostępne są lasery grzebieniowe o dużej mocy. Technika ta może znaleźć także nowe zastosowania.

Od czasu ich wynalezienia na początku XXI wieku grzebienie częstotliwości stały się ważnymi narzędziami w optyce. W rezultacie, Teodor Hansch z Instytutu Optyki Kwantowej Maxa Plancka w Niemczech i John Hall z Narodowego Instytutu Standardów i Technologii Stanów Zjednoczonych otrzymali w 2005 roku Nagrodę Nobla za swój wynalazek. Grzebień częstotliwości składa się z krótkich, okresowych impulsów świetlnych zawierających bardzo szerokie spektrum światła ze szczytami intensywności w regularnych odstępach częstotliwości – przypominających zęby grzebienia. Widma takie są szczególnie przydatne wszędzie tam, gdzie potrzebne jest światło o ściśle określonej częstotliwości, na przykład w zegarach atomowych lub spektroskopii.

W tradycyjnej spektroskopii grzebień częstotliwości może służyć jako „linijka optyczna” podczas badania próbki innym laserem. „Masz laser o fali ciągłej [CW] oddziałujący z próbką, którą chcesz analizować i chcesz zmierzyć częstotliwość bezwzględną tego lasera CW” – wyjaśnia Nathalie Picque z Instytutu Optyki Kwantowej Maxa Plancka. „I w tym celu pokonujesz laser grzebieniem częstotliwości. Zatem grzebień częstotliwości daje możliwość pomiaru dowolnej częstotliwości, ale w danym momencie mierzy się tylko jedną.”

Zmiany intensywności

Natomiast spektroskopia dwugrzebieniowa wystawia próbkę na szerokopasmowe światło z samego grzebienia częstotliwości. Ponieważ wejście jest szerokopasmowe, wyjście jest również szerokopasmowe. Jednakże światło przechodzące przez próbkę łączy się w interferometrze ze światłem z drugiego grzebienia częstotliwości o nieco innej częstotliwości powtarzania. Rejestruje się zmieniające się natężenie światła wychodzącego z interferometru (patrz rysunek).

Jeżeli próbka nie wchodziła w interakcję z pierwszym grzebieniem częstotliwości – okresowa zmiana intensywności odzwierciedla po prostu różnicę w częstotliwości powtarzania pomiędzy grzebieniami. Jeśli jednak próbka absorbuje światło z grzebienia, zmienia to kształt modulacji intensywności. Zaabsorbowane częstotliwości można odzyskać z transformaty Fouriera tego czasowego wzoru interferencji.

Spektroskopia dwugrzebieniowa okazała się bardzo skuteczna w zakresie częstotliwości w podczerwieni. Stosowanie tej techniki przy wyższych częstotliwościach jest jednak problematyczne. „Nie ma ultraszybkich laserów emitujących bezpośrednio w obszarze ultrafioletu” – wyjaśnia Picqué, „więc należy zastosować nieliniową konwersję częstotliwości, a im bardziej chcesz wejść w ultrafiolet, tym więcej etapów nieliniowej konwersji częstotliwości potrzebujesz." Nieliniowa konwersja częstotliwości w górę jest bardzo nieefektywna, więc moc spada na każdym etapie.

Rozwiązanie o małej mocy

Jak dotąd większość badaczy skupiała się na zwiększaniu mocy przychodzącego lasera podczerwonego. „Macie przed sobą bardzo wymagający eksperyment z laserami dużej mocy, dużym hałasem i bardzo drogim systemem” – mówi Picqué. Dlatego w ramach nowych badań Picqué, Hänsch i współpracownicy z Instytutu Optyki Kwantowej Maxa Plancka stworzyli system o znacznie niższej wymaganej mocy.

Naukowcy dwukrotnie dokonali konwersji w górę dwóch grzebieni podczerwieni, najpierw w krysztale niobianu litu, a następnie w triboranie bizmutu. Powstałe grzebienie ultrafioletowe generowały średnią moc optyczną co najwyżej 50 pW. Naukowcy przepuścili jeden z nich przez ogniwo wypełnione ogrzanym gazem cezowym, a drugi przesłano bezpośrednio do interferometru. Jedno ramię interferometru zostało wysłane do licznika pojedynczych fotonów. „Liczb jest naprawdę niewiele” – mówi Picqué; „Jeśli wykonasz jeden skan, sygnał nie będzie przypominał niczego”. Jednakże następnie powtarzali w kółko dokładnie ten sam skan. „Kiedy powtarzamy skanowanie 100,000 XNUMX lub prawie milion razy, otrzymujemy sygnał interferencji w domenie czasu, czyli sygnał, którego szukamy”.

W ciągu około 150 sekund skanowania badacze byli w stanie rozróżnić dwa przejścia atomowe w cezie o podobnych częstotliwościach i stosunku sygnału do szumu wynoszącym około 200. Mogli także zaobserwować rozszczepienie jednego z przejść spowodowane interakcją nadsubtelną .

„Pomysł pracy przy bardzo słabym oświetleniu jest bardzo sprzeczny z intuicją” – mówi Picqué. „Pokazujemy, że ta technika może działać z mocami optycznymi milion razy słabszymi niż te, które były wcześniej stosowane”. Mają teraz nadzieję na osiągnięcie jeszcze krótszych długości fal w ultrafiolecie próżniowym. Oprócz spektroskopii ultrafioletowej możliwość wykorzystania spektroskopii dwugrzebieniowej przy bardzo małych mocach może okazać się użyteczna w wielu innych sytuacjach, wyjaśnia Picqué, np. gdy próbki są podatne na uszkodzenia radiacyjne.

Ekspert od podwójnego grzebienia Jason Jones z Uniwersytetu w Arizonie, który przeprowadza eksperymenty sięgające daleko w próżniowe ultrafiolet, jest entuzjastycznie nastawiony do pracy Maxa Plancka. „Bez względu na to, jak daleko sięgniesz w ultrafiolet, zawsze będziesz mieć pewną minimalną ilość światła ze względu na sposób, w jaki jest ono generowane, więc jeśli możesz użyć mniejszej ilości światła, zawsze będziesz mógł zejść głębiej” – mówi. „W tym przypadku istotna jest możliwość wykorzystania pojedynczych fotonów przy jednoczesnym uzyskaniu dobrych wyników spektroskopii sygnału do szumu”.

Badania opisano w Natura.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• PlatoData.Network Pionowe generatywne AI. Wzmocnij się. Dostęp tutaj.
• PlatoAiStream. Inteligencja Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
• PlatonESG. Węgiel Czysta technologia, Energia, Środowisko, Słoneczny, Gospodarowanie odpadami. Dostęp tutaj.
• Platon Zdrowie. Inteligencja w zakresie biotechnologii i badań klinicznych. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/ultraviolet-dual-comb-spectroscopy-system-counts-single-photons/