이중 빗살 분광법(두 개의 주파수 빗 사이의 간섭을 활용하는 흡수 분광법)은 단일 광자를 사용하여 자외선 파장에서 수행되었습니다. 이 연구는 고출력 빗살 레이저를 사용할 수 없는 더 짧은 파장에서 이 기술을 사용하게 될 수 있습니다. 이 기술은 새로운 응용 분야를 찾을 수도 있습니다.
21세기 초에 발명된 이래로 주파수 빗은 광학 분야에서 중요한 도구가 되었습니다. 결과적으로, 테오도르 헨쉬 독일 막스플랑크 양자광학연구소 존 홀 미국 국립표준기술연구소(National Institute for Standards and Technology)는 그들의 발명으로 2005년 노벨상을 공동 수상했습니다. 주파수 빗은 빗살과 유사한 일정한 주파수 간격으로 강도 피크를 갖는 매우 넓은 스펙트럼의 빛을 포함하는 짧고 주기적인 광 펄스로 구성됩니다. 이러한 스펙트럼은 원자시계나 분광학과 같이 정확하게 정의된 주파수의 빛이 필요할 때마다 특히 유용합니다.
기존 분광학에서는 다른 레이저로 샘플을 프로빙할 때 주파수 빗을 "광학 눈금자"로 사용할 수 있습니다. "분석하려는 샘플과 상호 작용하는 연속파(CW) 레이저가 있고 이 CW 레이저의 절대 주파수를 측정하려고 합니다."라고 설명합니다. 나탈리 피케 막스플랑크 양자광학 연구소의 “그리고 이를 위해 주파수 빗으로 레이저를 이겼습니다. 따라서 주파수 빗을 사용하면 모든 주파수를 측정할 수 있지만 주어진 시간에는 하나만 측정할 수 있습니다.”
강도 변화
대조적으로, 이중 빗 분광법은 샘플을 주파수 빗 자체의 광대역 빛에 노출시킵니다. 입력이 광대역이므로 출력도 광대역입니다. 그러나 샘플을 통과하는 빛은 간섭계에서 약간 다른 반복 주파수를 갖는 두 번째 주파수 빗의 빛과 결합됩니다. 간섭계에서 나오는 빛의 강도 변화가 기록됩니다(그림 참조).
샘플이 첫 번째 주파수 빗과 상호 작용하지 않은 경우 주기적인 강도 변화는 단순히 빗 사이의 반복 주파수 차이를 반영합니다. 그러나 샘플이 빗살의 빛을 흡수하면 강도 변조의 모양이 변경됩니다. 흡수된 주파수는 이 시간 간섭 패턴의 푸리에 변환으로부터 복구될 수 있습니다.
이중 빗 분광법은 적외선 주파수에서 매우 성공적이었습니다. 그러나 더 높은 주파수에서 이 기술을 사용하는 것은 문제가 있습니다. Picqué는 "자외선 영역에서 직접 방출하는 초고속 레이저가 없으므로 비선형 주파수 변환을 사용해야 하며, 자외선 영역으로 더 많이 들어가고 싶을수록 비선형 주파수 변환 단계가 더 많아집니다"라고 설명합니다. 당신은 필요합니다.” 비선형 주파수 상향 변환은 매우 비효율적이므로 각 단계에서 전력이 떨어집니다.
저전력 솔루션
지금까지 대부분의 연구자들은 들어오는 적외선 레이저의 출력을 높이는 데 중점을 두었습니다. Picqué는 "고출력 레이저, 많은 소음, 매우 비싼 시스템을 사용하여 매우 어려운 실험을 하고 있습니다."라고 말합니다. 따라서 새로운 연구에서 Picqué, Hänsch 및 Max Planck Institute for Quantum Optics의 동료들은 요청된 전력이 훨씬 낮은 시스템을 만들었습니다.
연구자들은 두 개의 적외선 빗을 두 번, 처음에는 니오브산리튬 결정에서, 그다음에는 삼붕산 비스무스 결정에서 상향 변환했습니다. 생성된 자외선 빗은 최대 50pW의 평균 광 출력을 생성했습니다. 연구자들은 이들 중 하나를 가열된 세슘 가스 셀을 통해 통과시켰고, 다른 하나는 바로 간섭계로 보내졌습니다. 간섭계의 한쪽 팔이 단일 광자 카운터로 전송되었습니다. Picqué는 “카운트 수가 정말 적습니다.”라고 말합니다. "한 번만 스캔하면 신호가 아무 것도 아닌 것처럼 보입니다." 그러나 그들은 똑같은 스캔을 계속해서 반복했습니다. "100,000번 또는 거의 백만 번에 가까운 스캔을 반복하면 우리가 찾고 있는 신호인 시간 영역 간섭 신호를 얻게 됩니다."
새로운 기술로 이중 광 주파수 콤의 성능 향상
약 150초의 스캐닝 시간 동안 연구원들은 약 200의 신호 대 잡음비로 유사한 주파수를 갖는 세슘의 두 원자 전이를 해결할 수 있었습니다. 또한 초미세 상호 작용으로 인한 전이 중 하나가 분할되는 것을 관찰할 수 있었습니다. .
"매우 낮은 조명 수준에서 작업한다는 아이디어는 매우 직관에 어긋납니다."라고 Picqué는 말합니다. "우리는 이 기술이 이전에 사용된 것보다 백만 배 더 약한 광학 출력으로 작동할 수 있음을 보여줍니다." 그들은 이제 진공 자외선에서 더 짧은 파장을 사용하기를 희망하고 있습니다. 자외선 분광학 외에도 매우 낮은 전력에서 이중 빗살형 분광학을 활용하는 능력은 샘플이 방사선 손상을 받기 쉬운 곳과 같은 다양한 다른 상황에서 유용할 수 있다고 Picqué는 설명합니다.
이중 빗 전문가 제이슨 존스 진공 자외선에 대한 실험을 수행하는 애리조나 대학의 교수는 막스 플랑크 연구에 열광하고 있습니다. "자외선에 얼마나 멀리 들어가더라도 생성되는 방식으로 인해 항상 최소한의 빛을 갖게 됩니다. 따라서 빛을 덜 사용할 수 있으면 항상 더 깊이 들어갈 수 있습니다."라고 그는 말합니다. "단일 광자를 사용하면서도 여전히 우수한 신호 대 잡음 분광 결과를 얻을 수 있다는 것이 중요합니다."
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