ระบบสเปกโทรสโกปีแบบหวีคู่อัลตราไวโอเลตนับโฟตอนเดี่ยว - โลกฟิสิกส์

<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 อัล et/ธรรมชาติ/ CC BY 4.0 DEED)” title=”คลิกเพื่อเปิดภาพในป๊อปอัป” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/03/ultraviolet-dual-comb-spectroscopy-system-counts- โฟตอนเดี่ยวฟิสิกส์ world.jpg”>

สเปกโทรสโกปีแบบหวีคู่ – สเปกโทรสโกปีการดูดกลืนแสงที่ใช้การรบกวนระหว่างหวีความถี่สองตัว – ดำเนินการที่ความยาวคลื่นอัลตราไวโอเลตโดยใช้โฟตอนเดี่ยว งานนี้อาจนำไปสู่การใช้เทคนิคที่ความยาวคลื่นสั้นลง ซึ่งไม่สามารถใช้หวีเลเซอร์กำลังสูงได้ เทคนิคนี้สามารถค้นหาแอปพลิเคชันใหม่ได้

นับตั้งแต่มีการประดิษฐ์ขึ้นในช่วงรุ่งสางของศตวรรษที่ 21 หวีความถี่ได้กลายเป็นเครื่องมือสำคัญในด้านทัศนศาสตร์ ผลที่ตามมา, เทโอดอร์ ฮานช์ ของสถาบัน Max Planck สำหรับ Quantum Optics ในประเทศเยอรมนี และ ฮอลล์จอห์น ของสถาบันมาตรฐานและเทคโนโลยีแห่งชาติของสหรัฐอเมริกาได้รับรางวัลโนเบลประจำปี 2005 จากการประดิษฐ์ของพวกเขา หวีความถี่ประกอบด้วยพัลส์แสงสั้นๆ เป็นระยะๆ ซึ่งมีสเปกตรัมของแสงที่กว้างมากและมีความเข้มข้นสูงสุดที่ช่วงความถี่ปกติ ซึ่งมีลักษณะคล้ายซี่ฟันของหวี สเปกตรัมดังกล่าวมีประโยชน์อย่างยิ่งเมื่อใดก็ตามที่ต้องการแสงที่มีความถี่ที่กำหนดไว้อย่างแม่นยำ เช่น ในนาฬิกาอะตอมหรือสเปกโทรสโกปี

ในสเปกโทรสโกปีแบบดั้งเดิม หวีความถี่สามารถใช้เป็น "ไม้บรรทัดแสง" เมื่อตรวจสอบตัวอย่างด้วยเลเซอร์อื่น “คุณมีเลเซอร์คลื่นต่อเนื่อง [CW] ที่โต้ตอบกับตัวอย่างที่คุณต้องการวิเคราะห์ และคุณต้องการวัดความถี่สัมบูรณ์ของเลเซอร์ CW ​​นี้” อธิบาย นาตาลี ปิกเก้ ของสถาบันทัศนศาสตร์ควอนตัมมักซ์พลังค์ “และด้วยเหตุนี้ คุณจึงตีเลเซอร์ด้วยหวีความถี่ ดังนั้นหวีความถี่ทำให้คุณสามารถวัดความถี่ใดๆ ก็ได้ แต่ในเวลาที่กำหนด คุณจะวัดได้เพียงความถี่เดียวเท่านั้น”

การเปลี่ยนแปลงความเข้ม

ในทางตรงกันข้าม สเปกโทรสโกปีแบบหวีคู่จะทำให้ตัวอย่างได้รับแสงบรอดแบนด์จากหวีความถี่เอง เนื่องจากอินพุตเป็นบรอดแบนด์ เอาต์พุตจึงเป็นบรอดแบนด์ด้วย อย่างไรก็ตาม แสงที่ผ่านตัวอย่างจะรวมเข้ากับแสงจากหวีความถี่ที่สองซึ่งมีความถี่การทำซ้ำที่แตกต่างกันเล็กน้อยที่อินเทอร์เฟอโรมิเตอร์ ความเข้มที่เปลี่ยนแปลงของแสงที่ออกมาจากอินเทอร์เฟอโรมิเตอร์จะถูกบันทึก (ดูรูป)

หากตัวอย่างไม่ได้โต้ตอบกับหวีความถี่แรก การเปลี่ยนแปลงความเข้มเป็นระยะเพียงสะท้อนถึงความแตกต่างในความถี่การเกิดซ้ำระหว่างหวี อย่างไรก็ตาม หากตัวอย่างดูดซับแสงจากหวี รูปร่างของการปรับความเข้มจะเปลี่ยนไป ความถี่ที่ดูดซับสามารถกู้คืนได้จากการแปลงฟูริเยร์ของรูปแบบการรบกวนชั่วคราวนี้

สเปกโทรสโกปีแบบหวีคู่ประสบความสำเร็จอย่างมากที่ความถี่อินฟราเรด การใช้เทคนิคที่ความถี่สูงกว่านั้นเป็นปัญหา “ไม่มีเลเซอร์ที่เร็วมากที่ปล่อยออกมาโดยตรงในบริเวณอัลตราไวโอเลต” Picqué อธิบาย “ดังนั้นคุณจึงจำเป็นต้องใช้การแปลงความถี่ที่ไม่ใช่เชิงเส้น และยิ่งคุณต้องการเข้าไปในรังสีอัลตราไวโอเลตมากเท่าไร การแปลงความถี่ที่ไม่ใช่เชิงเส้นก็จะยิ่งมีขั้นตอนมากขึ้นเท่านั้น คุณต้องการ." การแปลงความถี่ที่เพิ่มขึ้นแบบไม่เชิงเส้นนั้นไม่มีประสิทธิภาพมากนัก ดังนั้นกำลังจึงลดลงในแต่ละขั้น

โซลูชันที่ใช้พลังงานต่ำ

จนถึงขณะนี้ นักวิจัยส่วนใหญ่มุ่งเน้นไปที่การเพิ่มพลังงานในเลเซอร์อินฟราเรดที่เข้ามา “คุณมีการทดลองที่ท้าทายมากกับเลเซอร์กำลังสูง มีเสียงรบกวนมาก และระบบที่มีราคาแพงมาก” Picqué กล่าว ในการวิจัยครั้งใหม่ Picqué, Hänsch และเพื่อนร่วมงานที่ Max Planck Institute for Quantum Optics ได้สร้างระบบที่ร้องขอพลังงานต่ำกว่ามาก

นักวิจัยได้แปลงหวีอินฟราเรดสองตัวขึ้นสองครั้ง ครั้งแรกในคริสตัลลิเธียมไนโอเบต และต่อมาในบิสมัทไทรบอเรต ผลหวีอัลตราไวโอเลตที่สร้างพลังงานแสงเฉลี่ยสูงสุด 50 pW นักวิจัยส่งตัวอย่างหนึ่งผ่านเซลล์ก๊าซซีเซียมที่ให้ความร้อน ในขณะที่อีกอันถูกส่งตรงไปยังอินเทอร์เฟอโรมิเตอร์ แขนข้างหนึ่งของอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ถูกส่งไปยังเครื่องนับโฟตอนตัวเดียว “มีการนับน้อยมากจริงๆ” Picquéกล่าว; “ถ้าคุณทำการสแกนหนึ่งครั้ง สัญญาณจะไม่ดูเหมือนอะไรเลย” อย่างไรก็ตาม พวกเขาก็ทำการสแกนแบบเดิมซ้ำแล้วซ้ำเล่า “เมื่อเราสแกนซ้ำ 100,000 ครั้งหรือเกือบล้านครั้ง เราได้รับสัญญาณรบกวนโดเมนเวลา ซึ่งเป็นสัญญาณที่เรากำลังมองหา”

ในเวลาประมาณ 150 วินาทีของการสแกน นักวิจัยสามารถแก้ไขการเปลี่ยนผ่านของอะตอมในซีเซียม 200 ครั้งที่มีความถี่ใกล้เคียงกัน โดยมีอัตราส่วนสัญญาณต่อเสียงรบกวนประมาณ XNUMX นอกจากนี้ยังสามารถสังเกตการแยกส่วนของการเปลี่ยนผ่านที่เกิดจากปฏิสัมพันธ์ที่มีระดับไฮเปอร์ไฟน์ .

“แนวคิดในการทำงานในระดับแสงที่น้อยมากนั้นขัดกับสัญชาตญาณอย่างมาก” Picqué กล่าว “เราแสดงให้เห็นว่าเทคนิคนี้สามารถทำงานร่วมกับพลังแสงที่อ่อนกว่าที่เคยใช้มาก่อนถึงหนึ่งล้านเท่า” ตอนนี้พวกเขาหวังว่าจะผลักดันให้ความยาวคลื่นสั้นลงอีกในอัลตราไวโอเลตสุญญากาศ นอกเหนือจากสเปกโทรสโกปีอัลตราไวโอเลตแล้ว ความสามารถในการใช้สเปกโตรสโคปีแบบหวีคู่ที่กำลังต่ำมากสามารถพิสูจน์ได้ว่ามีประโยชน์ในสถานการณ์อื่นๆ มากมาย Picqué อธิบาย เช่น ในกรณีที่ตัวอย่างมีแนวโน้มที่จะได้รับความเสียหายจากรังสี

ผู้เชี่ยวชาญหวีคู่ เจสันโจนส์ ของมหาวิทยาลัยแอริโซนา ซึ่งทำการทดลองในสุญญากาศอัลตราไวโอเลต มีความกระตือรือร้นเกี่ยวกับงานของแม็กซ์ พลังค์ “ไม่ว่าคุณจะเข้าไปในรังสีอัลตราไวโอเลตได้ไกลแค่ไหน คุณจะมีปริมาณแสงขั้นต่ำเสมอเนื่องจากวิธีที่มันกำเนิด ดังนั้นหากคุณสามารถใช้แสงน้อยลง คุณจะสามารถเจาะลึกลงไปได้เสมอ” เขากล่าว "ความสามารถในการใช้โฟตอนเดี่ยวและยังคงได้รับผลทางสเปกโทรสโกปีสัญญาณต่อเสียงรบกวนที่ดีเป็นสิ่งสำคัญสำหรับสิ่งนั้น"

งานวิจัยได้อธิบายไว้ใน ธรรมชาติ.

• เนื้อหาที่ขับเคลื่อนด้วย SEO และการเผยแพร่ประชาสัมพันธ์ รับการขยายวันนี้
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai เพิ่มพลังให้กับตัวเอง เข้าถึงได้ที่นี่.
• เพลโตไอสตรีม. Web3 อัจฉริยะ ขยายความรู้ เข้าถึงได้ที่นี่.
• เพลโตESG. คาร์บอน, คลีนเทค, พลังงาน, สิ่งแวดล้อม แสงอาทิตย์, การจัดการของเสีย. เข้าถึงได้ที่นี่.
• เพลโตสุขภาพ เทคโนโลยีชีวภาพและข่าวกรองการทดลองทางคลินิก เข้าถึงได้ที่นี่.
• ที่มา: https://physicsworld.com/a/ultraviolet-dual-comb-spectroscopy-system-counts-single-photons/