デュアルコム分光法（2 つの周波数コム間の干渉を利用する吸収分光法）は、単一光子を使用して紫外波長で実行されています。この研究により、高出力コムレーザーが利用できないより短い波長でのこの技術の使用につながる可能性がある。この技術は新たな用途も見つかる可能性がある。
21 世紀初頭の発明以来、周波数コムは光学分野の重要なツールとなっています。結果として、 テオドール・ハンシュ ドイツのマックス・プランク量子光学研究所の ジョン·ホール 米国国立標準技術研究所の博士らは、その発明により 2005 年のノーベル賞を共有しました。周波数コムは、櫛の歯に似た、一定の周波数間隔で強度ピークを持つ非常に広いスペクトルの光を含む、短く周期的な光パルスで構成されます。このようなスペクトルは、原子時計や分光法など、正確に定義された周波数の光が必要な場合に特に役立ちます。
従来の分光法では、別のレーザーでサンプルをプローブするときに、周波数コムを「光学定規」として使用できます。 「分析したいサンプルと相互作用する連続波 [CW] レーザーがあり、この CW レーザーの絶対周波数を測定したいと考えています。」と説明します。 ナタリー・ピケ マックス・プランク量子光学研究所の博士。 「そしてこのために、周波数コムでレーザーを打ち負かします。したがって、周波数コムを使用すると、あらゆる周波数を測定できるようになりますが、一度に測定できるのは 1 つだけです。」
強度の変化
対照的に、デュアルコム分光法では、サンプルを周波数コム自体からの広帯域光にさらします。入力がブロードバンドであるため、出力もブロードバンドです。ただし、サンプルを通過した光は、干渉計でわずかに異なる繰り返し周波数を持つ 2 番目の周波数コムからの光と結合します。干渉計から出てくる光の強度の変化が記録されます (図を参照)。
サンプルが最初の周波数コムと相互作用していない場合、周期的な強度の変化は単純にコム間の繰り返し周波数の差を反映します。ただし、サンプルがコームからの光を吸収すると、強度変調の形状が変化します。吸収された周波数は、この時間的干渉パターンのフーリエ変換から回復できます。
デュアルコム分光法は赤外周波数で非常に成功しています。しかし、この技術をより高い周波数で使用すると問題が生じます。 「紫外領域で直接放射する超高速レーザーは存在しません」とピケ氏は説明します。「そのため、非線形周波数変換を使用する必要があり、紫外領域に進みたいほど、非線形周波数変換の段階が多くなります。あなたが必要です。」非線形周波数アップコンバートは非常に効率が悪いため、各段階で電力が低下します。
低電力ソリューション
これまでのところ、ほとんどの研究者は、入射する赤外線レーザーの出力を高めることに焦点を当ててきました。 「高出力レーザー、多くのノイズ、そして非常に高価なシステムを使用した、非常に挑戦的な実験が必要です」とピケ氏は言います。したがって、新しい研究では、マックス・プランク量子光学研究所のピケ氏、ヘンシュ氏らは、要求される電力がはるかに低いシステムを作成しました。
研究者らは、50 つの赤外線コムを 100,000 回、最初はニオブ酸リチウム結晶で、次に三ホウ酸ビスマスでアップコンバートしました。得られた紫外線コムは、最大 XNUMX pW の平均光出力を生成しました。研究者らは、そのうちの XNUMX つを加熱されたセシウム ガスのセルに通し、もう XNUMX つは直接干渉計に送りました。干渉計の XNUMX つのアームは単一光子カウンターに送られました。 「カウントは本当に少ないです」とピケは言う。 「一度スキャンしてみると、信号は何のようにも見えません。」ただし、その後、まったく同じスキャンを何度も繰り返しました。 「スキャンを XNUMX 万回、または XNUMX 万回近く繰り返すと、時間領域の干渉信号が得られます。これが私たちが探している信号です。」
デュアル光周波数コムの性能を向上させる新技術
約 150 秒のスキャン時間で、研究者らは、信号対雑音比が約 200 で、同様の周波数を持つセシウムの XNUMX つの原子遷移を解析できました。また、超微細相互作用によって引き起こされる遷移の XNUMX つの分裂を観察することもできました。 。
「非常に低い光レベルで作業するという考えは、非常に直観に反しています」とピケ氏は言います。 「私たちは、この技術がこれまでに使用されてきたものよりも100万倍弱い光学パワーでも機能することを示しました。」彼らは現在、真空紫外線のさらに短い波長を推進したいと考えています。紫外分光法とは別に、デュアルコム分光法を非常に低い出力で利用できる能力は、サンプルが放射線による損傷を受けやすい場合など、他のさまざまな状況で役立つことが証明される可能性があるとピケ氏は説明します。
デュアルコームエキスパート ジェイソン·ジョーンズ アリゾナ大学の博士は、真空紫外線のはるか奥まで実験を行っており、マックス・プランクの研究に熱心に取り組んでいます。 「紫外線の奥深くまで入っても、その生成方法により常に一定の最小限の光が存在するため、使用する光の量を減らすことができれば、常により深くまで入ることができます」と彼は言います。 「単一光子を使用しながら良好な信号対雑音比の分光結果が得られることは、その点において重要です。」
研究はで説明されています 自然.
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- 情報源： https://physicsworld.com/a/ultraviolet-dual-comb-spectroscopy-system-counts-single-photons/
