La spectroscopie à double peigne – spectroscopie d'absorption qui utilise l'interférence entre deux peignes de fréquence – a été réalisée aux longueurs d'onde ultraviolettes à l'aide de photons uniques. Les travaux pourraient conduire à l’utilisation de la technique à des longueurs d’onde plus courtes, là où les lasers à peigne de haute puissance ne sont pas disponibles. La technique pourrait également trouver de nouvelles applications.
Depuis leur invention à l’aube du 21ème siècle, les peignes de fréquence sont devenus des outils importants en optique. Par conséquent, Théodore Hänsch de l'Institut Max Planck d'optique quantique en Allemagne et John Hall de l'Institut national américain des normes et de la technologie a partagé le prix Nobel 2005 pour son invention. Un peigne de fréquence comprend des impulsions lumineuses courtes et périodiques contenant un très large spectre de lumière avec des pics d'intensité à intervalles de fréquence réguliers – ressemblant aux dents d'un peigne. De tels spectres sont particulièrement utiles chaque fois que de la lumière à une fréquence précisément définie est nécessaire, comme dans les horloges atomiques ou la spectroscopie.
En spectroscopie traditionnelle, un peigne de fréquence peut être utilisé comme « règle optique » lors du sondage d’un échantillon avec un autre laser. « Vous disposez d'un laser à onde continue [CW] qui interagit avec l'échantillon que vous souhaitez analyser et vous souhaitez mesurer la fréquence absolue de ce laser CW », explique Nathalie Picqué de l'Institut Max Planck d'optique quantique. « Et pour cela, vous battez le laser avec le peigne de fréquence. Ainsi, le peigne de fréquence vous donne la possibilité de mesurer n’importe quelle fréquence mais à un instant donné vous n’en mesurez qu’une seule.
Changements d'intensité
En revanche, la spectroscopie à double peigne expose l’échantillon à la lumière à large bande provenant d’un peigne de fréquence lui-même. Comme l’entrée est à large bande, la sortie est également à large bande. Cependant, la lumière traversant l’échantillon se combine avec la lumière provenant d’un deuxième peigne de fréquence avec une fréquence de répétition légèrement différente au niveau d’un interféromètre. L'intensité changeante de la lumière sortant de l'interféromètre est enregistrée (voir figure).
Si l'échantillon n'a pas interagi avec le premier peigne de fréquence, le changement d'intensité périodique reflète simplement la différence de fréquence de répétition entre les peignes. Cependant, si l’échantillon absorbe la lumière du peigne, cela modifie la forme de la modulation d’intensité. Les fréquences absorbées peuvent être récupérées à partir d'une transformée de Fourier de ce motif d'interférence temporelle.
La spectroscopie à double peigne a connu un grand succès dans les fréquences infrarouges. L’utilisation de cette technique à des fréquences plus élevées est cependant problématique. "Il n'existe pas de lasers ultrarapides qui émettent directement dans la région ultraviolette", explique Picqué, "il faut donc utiliser une conversion de fréquence non linéaire, et plus on veut aller dans l'ultraviolet, plus il y a d'étapes de conversion de fréquence non linéaire. vous avez besoin." La conversion ascendante de fréquence non linéaire est très inefficace, de sorte que la puissance chute à chaque étape.
Solution basse consommation
Jusqu’à présent, la plupart des chercheurs se sont concentrés sur l’augmentation de la puissance du laser infrarouge entrant. « Vous avez une expérience très difficile avec des lasers de haute puissance, beaucoup de bruit et un système très coûteux », explique Picqué. Dans le cadre de cette nouvelle recherche, Picqué, Hänsch et leurs collègues de l'Institut Max Planck d'optique quantique ont créé un système avec une consommation d'énergie beaucoup plus faible.
Les chercheurs ont converti deux peignes infrarouges à deux reprises, d’abord en cristal de niobate de lithium, puis en triborate de bismuth. Les peignes ultraviolets résultants ont généré des puissances optiques moyennes d'au plus 50 pW. Les chercheurs ont fait passer l’un d’eux à travers une cellule de gaz césium chauffé, tandis que l’autre a été envoyé directement à l’interféromètre. Un bras de l'interféromètre a été envoyé vers un compteur de photons uniques. « Il y a vraiment très peu de décomptes, dit Picqué ; "Si vous effectuez un scan, le signal ne ressemble à rien." Cependant, ils ont ensuite répété exactement la même analyse encore et encore. "Lorsque nous répétons le scan 100,000 XNUMX ou près d'un million de fois, nous obtenons notre signal d'interférence dans le domaine temporel, qui est le signal que nous recherchons."
Une nouvelle technique améliore les performances des peignes à double fréquence optique
En environ 150 s de temps de balayage, les chercheurs ont pu résoudre deux transitions atomiques dans le césium qui ont des fréquences similaires, avec des rapports signal sur bruit d'environ 200. Ils ont également pu observer la division de l'une des transitions provoquée par l'interaction hyperfine. .
« L'idée de travailler avec des niveaux de lumière très faibles est très contre-intuitive », déclare Picqué. "Nous montrons que la technique peut fonctionner avec des puissances optiques un million de fois plus faibles que celles utilisées auparavant." Ils espèrent désormais atteindre des longueurs d'onde encore plus courtes dans l'ultraviolet sous vide. Outre la spectroscopie ultraviolette, la capacité d'utiliser la spectroscopie à double peigne à très faible puissance pourrait s'avérer utile dans diverses autres situations, explique Picqué, par exemple lorsque les échantillons sont sujets aux dommages causés par les radiations.
Expert en double peigne Jason Jones de l'Université d'Arizona, qui fait des expériences dans le vide ultraviolet, est enthousiasmé par les travaux de Max Planck. "Peu importe jusqu'où vous allez dans l'ultraviolet, vous aurez toujours une quantité minimale de lumière en raison de la façon dont elle est générée, donc si vous pouvez utiliser moins de lumière, vous pourrez toujours aller plus profondément", dit-il. "Être capable d'utiliser des photons uniques tout en obtenant de bons résultats spectroscopiques signal/bruit est important pour cela."
La recherche est décrite dans Nature.
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- La source: https://physicsworld.com/a/ultraviolet-dual-comb-spectroscopy-system-counts-single-photons/
