紫外双梳光谱系统对单光子进行计数 – 物理世界

紫外双梳光谱系统对单光子进行计数 – 物理世界

时间戳记：13年2024月9日上午50:XNUMX

<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 等/自然/ CC BY 4.0 DEED)” title=”点击在弹出窗口中打开图像” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/03/ultraviolet-dual-comb-spectroscopy-system-counts-单光子物理世界.jpg”>双梳状光谱
工作原理：顶部频率梳穿过感兴趣的样本，然后进入分束器。底部频率梳以稍微不同的脉冲重复频率工作，并与分束器中的顶部频率梳组合。组合光束中的光子由探测器进行计数。 （提供：徐冰心 等/自然/ CC 4.0 契约）

双梳光谱——利用两个频率梳之间的干涉的吸收光谱——已使用单光子在紫外波长下进行。这项工作可能会导致该技术在较短波长上的使用，而在这种情况下，高功率梳状激光器是不可用的。该技术还可以找到新的应用。

自从 21 世纪初被发明以来，频率梳已成为光学领域的重要工具。因此， 西奥多·汉施 德国马克斯普朗克量子光学研究所和 约翰霍尔 美国国家标准与技术研究所的两位科学家因其发明而荣获 2005 年诺贝尔奖。频率梳由短的周期性光脉冲组成，其中包含非常宽的光谱，其强度峰值以规则的频率间隔出现——类似于梳子的齿。当需要精确定义频率的光时，例如在原子钟或光谱学中，这种光谱特别有用。

在传统光谱学中，当用另一种激光器探测样品时，频率梳可以用作“光学尺”。 “您有一个连续波 [CW] 激光器与您想要分析的样品相互作用，并且您想要测量该 CW 激光器的绝对频率，”解释道 娜塔莉·皮克 马克斯·普朗克量子光学研究所的教授。 “为此，你可以用频率梳击败激光。因此，频率梳使您可以测量任何频率，但在给定时间您只能测量一个频率。”

强度变化

相比之下，双梳光谱将样品暴露于来自频率梳本身的宽带光。由于输入是宽带的，因此输出也是宽带的。然而，穿过样品的光与来自第二频率梳的光在干涉仪处结合，其重复频率略有不同。记录从干涉仪发出的光强度的变化（见图）。

如果样本未与第一个频率梳相互作用，则周期性强度变化仅反映频率梳之间重复频率的差异。然而，如果样品吸收来自梳子的光，就会改变强度调制的形状。吸收的频率可以从该时间干涉图样的傅立叶变换中恢复。

双梳光谱在红外频率上非常成功。然而，在较高频率下使用该技术是有问题的。 “目前还没有直接在紫外区域发射的超快激光器，”Picqué 解释道，“因此需要使用非线性变频，而且越想进入紫外区域，非线性变频的级数就越多。你需要。”非线性上变频效率非常低，因此每一级的功率都会下降。

低功耗解决方案

到目前为止，大多数研究人员都专注于增加入射红外激光的功率。 “你的实验非常具有挑战性，涉及高功率激光器、大量噪音和非常昂贵的系统，”皮克说。因此，在这项新研究中，Picqué、Hänsch 和马克斯·普朗克量子光学研究所的同事创建了一个所需功率低得多的系统。

研究人员对两个红外梳进行了两次上转换，第一次是在铌酸锂晶体中，然后是在三硼酸铋中。由此产生的紫外线梳产生的平均光功率最多为 50 pW。研究人员将其中一个穿过加热的铯气室，而另一个则直接发送到干涉仪。干涉仪的一个臂被发送到单光子计数器。 “计数确实很少，”皮克说； “如果你进行一次扫描，信号看起来并不像任何东西。”然而，他们随后一遍又一遍地重复完全相同的扫描。 “当我们重复扫描 100,000 万次或接近一百万次时，我们得到了时域干扰信号，这就是我们正在寻找的信号。”

在大约 150 秒的扫描时间内，研究人员可以解析铯中具有相似频率的两个原子跃迁，信噪比约为 200。他们还可以观察到由超精细相互作用引起的其中一个跃迁的分裂。

“在非常低的光照水平下工作的想法非常违反直觉，”皮克说。 “我们证明，该技术可以在比以前使用的光功率弱一百万倍的情况下工作。”他们现在希望将真空紫外线的波长推向更短。 Picqué 解释说，除了紫外光谱之外，在极低功率下使用双梳光谱的能力在其他各种情况下也可能很有用，例如样品容易受到辐射损坏的情况。

双梳专家 贾森·琼斯 亚利桑那大学的教授从事远至真空紫外线的实验，他对马克斯·普朗克的工作充满热情。 “无论你进入紫外线有多远，由于它的产生方式，你总是会得到一些最少量的光，所以如果你能使用更少的光，你总是能够走得更深，”他说。 “能够使用单光子并仍然获得良好的信噪比光谱结果对此非常重要。”

该研究描述于 自然.

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