تم إجراء التحليل الطيفي ثنائي المشط - وهو التحليل الطيفي للامتصاص الذي يستخدم التداخل بين أمشاط التردد - عند أطوال موجية فوق بنفسجية باستخدام فوتونات مفردة. يمكن أن يؤدي هذا العمل إلى استخدام هذه التقنية عند أطوال موجية أقصر، حيث لا يتوفر ليزر مشط عالي الطاقة. يمكن أن تجد هذه التقنية أيضًا تطبيقات جديدة.
منذ اختراعها في فجر القرن الحادي والعشرين، أصبحت أمشاط التردد أدوات مهمة في مجال البصريات. نتيجة ل، تيودور هانش معهد ماكس بلانك للبصريات الكمومية في ألمانيا جون هول من المعهد الوطني الأمريكي للمعايير والتكنولوجيا تقاسموا جائزة نوبل لعام 2005 لاختراعهم. يشتمل مشط التردد على نبضات ضوئية دورية قصيرة تحتوي على طيف واسع جدًا من الضوء تبلغ شدته ذروتها على فترات ترددية منتظمة - تشبه أسنان المشط. تكون هذه الأطياف مفيدة بشكل خاص عند الحاجة إلى ضوء بتردد محدد بدقة، كما هو الحال في الساعات الذرية أو التحليل الطيفي.
في التحليل الطيفي التقليدي، يمكن استخدام مشط التردد باعتباره "مسطرة بصرية" عند فحص عينة باستخدام ليزر آخر. "لديك ليزر ذو موجة مستمرة [CW] يتفاعل مع العينة التي تريد تحليلها وتريد قياس التردد المطلق لليزر CW هذا،" يوضح ذلك ناتالي بيكيه معهد ماكس بلانك للبصريات الكمومية. "ولهذا تتغلب على الليزر بمشط التردد. لذا فإن مشط التردد يمنحك إمكانية قياس أي تردد ولكن في وقت معين يمكنك قياس تردد واحد فقط.
تغيرات الشدة
في المقابل، يعرض التحليل الطيفي ثنائي المشط العينة لضوء النطاق العريض من مشط التردد نفسه. وبما أن المدخلات ذات نطاق عريض، فإن الإخراج هو أيضًا نطاق عريض. ومع ذلك، فإن الضوء الذي يمر عبر العينة يتحد مع الضوء الصادر من مشط التردد الثاني بتردد تكرار مختلف قليلاً عند مقياس التداخل. يتم تسجيل الكثافة المتغيرة للضوء الخارج من مقياس التداخل (انظر الشكل).
إذا لم تتفاعل العينة مع مشط التردد الأول – فإن تغير الكثافة الدوري يعكس ببساطة الفرق في تردد التكرار بين المشط. ومع ذلك، إذا امتصت العينة الضوء من المشط، فإن هذا يغير شكل تعديل الكثافة. يمكن استعادة الترددات الممتصة من تحويل فورييه لنمط التداخل الزمني هذا.
لقد كان التحليل الطيفي ثنائي المشط ناجحًا جدًا في ترددات الأشعة تحت الحمراء. ومع ذلك، فإن استخدام هذه التقنية على ترددات أعلى يمثل مشكلة. يوضح بيكيه: "لا توجد أشعة ليزر فائقة السرعة تنبعث مباشرة في المنطقة فوق البنفسجية، لذلك تحتاج إلى استخدام تحويل التردد غير الخطي، وكلما أردت التعمق في الأشعة فوق البنفسجية، زادت مراحل تحويل التردد غير الخطي". انت تحتاج." يعد تحويل التردد غير الخطي غير فعال للغاية، وبالتالي تنخفض الطاقة في كل مرحلة.
حل منخفض الطاقة
حتى الآن، ركز معظم الباحثين على زيادة الطاقة في ليزر الأشعة تحت الحمراء القادم. يقول بيكيه: "لديك تجربة صعبة للغاية باستخدام أشعة الليزر عالية الطاقة، والكثير من الضوضاء، ونظام مكلف للغاية". في البحث الجديد، أنشأ بيكيه وهانش وزملاؤهم في معهد ماكس بلانك للبصريات الكمومية نظامًا يتطلب طاقة أقل بكثير.
قام الباحثون بتحويل اثنين من أمشاط الأشعة تحت الحمراء مرتين، أولاً في بلورة نيوبات الليثيوم ثم في ثلاثيبورات البزموت. ولدت أمشاط الأشعة فوق البنفسجية الناتجة قوى بصرية متوسطة لا تزيد عن 50 بيكوواط. مرر الباحثون أحدهما عبر خلية من غاز السيزيوم الساخن، بينما تم إرسال الآخر مباشرة إلى مقياس التداخل. تم إرسال أحد ذراعي مقياس التداخل إلى عداد فوتون واحد. يقول بيكيه: "هناك عدد قليل جدًا من التهم". "إذا قمت بإجراء مسح واحد، فلن تبدو الإشارة مثل أي شيء." ومع ذلك، فقد كرروا نفس الفحص مرارًا وتكرارًا. "عندما نكرر المسح 100,000 أو ما يقرب من مليون مرة، نحصل على إشارة تداخل المجال الزمني، وهي الإشارة التي نبحث عنها."
تقنية جديدة تعزز أداء أمشاط التردد البصري المزدوجة
في حوالي 150 ثانية من وقت المسح، تمكن الباحثون من حل تحولين ذريين في السيزيوم لهما ترددات مماثلة، مع نسبة إشارة إلى ضوضاء تبلغ حوالي 200. ويمكنهم أيضًا ملاحظة انقسام أحد التحولات الناتجة عن التفاعل فائق الدقة. .
يقول بيكيه: "إن فكرة العمل في مستويات إضاءة منخفضة للغاية هي فكرة غير بديهية للغاية". "لقد أظهرنا أن هذه التقنية يمكن أن تعمل مع قوى بصرية أضعف بمليون مرة مما تم استخدامه من قبل." ويأملون الآن في الدفع نحو أطوال موجية أقصر في الأشعة فوق البنفسجية الفراغية. بصرف النظر عن التحليل الطيفي للأشعة فوق البنفسجية، فإن القدرة على استخدام التحليل الطيفي ثنائي المشط بقدرات منخفضة جدًا يمكن أن تكون مفيدة في مجموعة متنوعة من المواقف الأخرى، كما يوضح بيكيه، مثل الحالات التي تكون فيها العينات عرضة للتلف الإشعاعي.
خبير مشط مزدوج جيسون جونز من جامعة أريزونا، الذي يقوم بتجارب بعيدة في مجال الأشعة فوق البنفسجية الفراغية، متحمس لعمل ماكس بلانك. يقول: "بغض النظر عن مدى وصولك إلى الأشعة فوق البنفسجية، سيكون لديك دائمًا حد أدنى من الضوء بسبب الطريقة التي يتم توليدها بها، لذلك إذا كان بإمكانك استخدام كمية أقل من الضوء، فستكون دائمًا قادرًا على التعمق أكثر". "إن القدرة على استخدام الفوتونات المفردة والحصول على نتائج طيفية جيدة للإشارة إلى الضوضاء أمر مهم لتحقيق ذلك."
تم وصف البحث في الطبيعة.
- محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
- أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
- أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
- أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
- المصدر https://physicsworld.com/a/ultraviolet-dual-comb-spectroscopy-system-counts-single-photons/
