Ultraviolett dubbelkam spektroskopisystem räknar enstaka fotoner – 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,/Natur/ CC BY 4.0 DEED)” title=”Klicka för att öppna bilden i popup” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/03/ultraviolet-dual-comb-spectroscopy-system-counts- single-photons-physics-world.jpg">

Dubbelkammsspektroskopi – absorptionsspektroskopi som utnyttjar interferensen mellan två frekvenskammar – har utförts vid ultravioletta våglängder med användning av enstaka fotoner. Arbetet kan leda till användning av tekniken vid kortare våglängder, där högeffektskamlasrar inte är tillgängliga. Tekniken kan också hitta nya tillämpningar.

Sedan deras uppfinning i början av 21-talet har frekvenskammar blivit viktiga verktyg inom optik. Som ett resultat, Theodor Hänsch vid Max Planck Institute for Quantum Optics i Tyskland och John Hall från US National Institute for Standards and Technology delade 2005 års Nobelpris för sin uppfinning. En frekvenskam består av korta, periodiska ljuspulser som innehåller ett mycket brett ljusspektrum med intensitetstoppar med jämna frekvensintervall – som liknar tänderna på en kam. Sådana spektra är särskilt användbara när ljus med en exakt definierad frekvens behövs, såsom i atomur eller spektroskopi.

I traditionell spektroskopi kan en frekvenskam användas som en "optisk linjal" när man sonderar ett prov med en annan laser. "Du har en laser med kontinuerlig våg [CW] som interagerar med provet som du vill analysera och du vill mäta den absoluta frekvensen för denna CW-laser," förklarar Nathalie Picqué från Max Planck Institute of Quantum Optics. "Och för detta slår du lasern med frekvenskammen. Så frekvenskammen ger dig möjligheten att mäta vilken frekvens som helst, men vid en given tidpunkt mäter du bara en."

Intensitetsförändringar

Däremot exponerar dual-comb spektroskopi provet för bredbandsljus från en frekvenskam själv. Eftersom ingången är bredband, är utgången också bredbandig. Ljuset som passerar genom provet kombineras dock med ljuset från en andra frekvenskam med en något annorlunda repetitionsfrekvens vid en interferometer. Den förändrade intensiteten hos ljuset som kommer ut från interferometern registreras (se figur).

Om provet inte har interagerat med den första frekvenskammen – återspeglar den periodiska intensitetsförändringen helt enkelt skillnaden i repetitionsfrekvensen mellan kammarna. Men om provet absorberar ljus från kammen ändrar detta formen på intensitetsmoduleringen. De absorberade frekvenserna kan återvinnas från en Fouriertransform av detta tidsinterferensmönster.

Dubbelkammsspektroskopi har varit mycket framgångsrik vid infraröda frekvenser. Att använda tekniken vid högre frekvenser är dock problematiskt. "Det finns inga ultrasnabba lasrar som direkt sänder ut i det ultravioletta området", förklarar Picqué, "så du måste använda icke-linjär frekvensomvandling, och ju mer du vill gå in i ultraviolett ljus, desto fler steg av icke-linjär frekvensomvandling du behöver." Icke-linjär frekvensuppkonvertering är mycket ineffektiv, så effekten sjunker i varje steg.

Lågeffektlösning

Hittills har de flesta forskare fokuserat på att öka kraften i den inkommande infraröda lasern. "Du har ett mycket utmanande experiment med högeffektslasrar, mycket brus och ett mycket dyrt system", säger Picqué. I den nya forskningen skapade därför Picqué, Hänsch och kollegor vid Max Planck Institute for Quantum Optics ett system med mycket lägre efterfrågad effekt.

Forskarna uppkonverterade två infraröda kammar två gånger, först i en litiumniobatkristall och sedan i vismuttriborat. De resulterande ultravioletta kammarna genererade optiska medeleffekter på högst 50 pW. Forskarna skickade en av dessa genom en cell av uppvärmd cesiumgas, medan den andra skickades direkt till interferometern. En arm av interferometern skickades till en enstaka fotonräknare. "Det finns verkligen väldigt få räkningar", säger Picqué; "Om du gör en skanning ser signalen inte ut som någonting." Men de upprepade sedan exakt samma skanning om och om igen. "När vi upprepar skanningen 100,000 XNUMX eller nära en miljon gånger får vi vår tidsdomäninterferenssignal, vilket är den signal vi letar efter."

På cirka 150 sekunders skanningstid kunde forskarna lösa två atomära övergångar i cesium som har liknande frekvenser, med signal-brus-förhållanden på cirka 200. De kunde också observera splittringen av en av övergångarna orsakade av den hyperfina interaktionen .

"Idén att arbeta vid mycket låga ljusnivåer är väldigt kontraintuitiv", säger Picqué. "Vi visar att tekniken kan fungera med optiska krafter som är en miljon gånger svagare än vad som har använts tidigare." De hoppas nu kunna driva till ännu kortare våglängder i vakuumet ultraviolett. Bortsett från ultraviolett spektroskopi, kan förmågan att använda dubbelkamspektroskopi vid mycket låga styrkor visa sig användbar i en mängd andra situationer, förklarar Picqué, till exempel där prover är benägna att skada strålning.

Dubbelkammarexpert Jason Jones från University of Arizona, som gör experiment långt in i vakuumet ultraviolett är entusiastisk över Max Planck-arbetet. "Oavsett hur långt du går in i ultraviolett ljus kommer du alltid att ha en viss minimal mängd ljus på grund av hur det genereras, så om du kan använda mindre ljus kommer du alltid att kunna gå djupare", säger han. "Att kunna använda enstaka fotoner och fortfarande få bra signal-brus-spektroskopiska resultat är viktigt för det."

Forskningen beskrivs i Natur.

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Platoesg. Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
• PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/ultraviolet-dual-comb-spectroscopy-system-counts-single-photons/