Dual-comb spectroscopie – absorptiespectroscopie die gebruik maakt van de interferentie tussen twee frequentiekammen – is uitgevoerd bij ultraviolette golflengten met behulp van enkele fotonen. Het werk zou kunnen leiden tot het gebruik van de techniek op kortere golflengten, waar krachtige kamlasers niet beschikbaar zijn. De techniek zou ook nieuwe toepassingen kunnen vinden.
Sinds hun uitvinding aan het begin van de 21e eeuw zijn frequentiekammen belangrijke instrumenten in de optica geworden. Als gevolg, Theodor Hänsch van het Max Planck Instituut voor Quantum Optica in Duitsland en John Hall van het Amerikaanse National Institute for Standards and Technology deelden in 2005 de Nobelprijs voor hun uitvinding. Een frequentiekam bestaat uit korte, periodieke lichtpulsen die een zeer breed lichtspectrum bevatten met intensiteitspieken op regelmatige frequentie-intervallen – vergelijkbaar met de tanden van een kam. Dergelijke spectra zijn vooral nuttig wanneer licht met een nauwkeurig gedefinieerde frequentie nodig is, zoals bij atoomklokken of spectroscopie.
Bij traditionele spectroscopie kan een frequentiekam worden gebruikt als “optische liniaal” bij het onderzoeken van een monster met een andere laser. “Je hebt een CW-laser die interageert met het monster dat je wilt analyseren en je wilt de absolute frequentie van deze CW-laser meten”, legt hij uit. Nathalie Picque van het Max Planck Instituut voor Quantum Optica. “En hiervoor versla je de laser met de frequentiekam. Met de frequentiekam kun je dus elke frequentie meten, maar op een gegeven moment meet je er maar één.”
Intensiteit verandert
Bij dual-comb-spectroscopie wordt het monster daarentegen blootgesteld aan breedbandlicht van een frequentiekam zelf. Omdat de invoer breedband is, is de uitvoer ook breedband. Het licht dat door het monster gaat, combineert echter met het licht van een tweede frequentiekam met een iets andere herhalingsfrequentie bij een interferometer. De veranderende intensiteit van het licht dat uit de interferometer komt, wordt geregistreerd (zie figuur).
Als het monster geen interactie heeft gehad met de eerste frequentiekam, weerspiegelt de periodieke intensiteitsverandering eenvoudigweg het verschil in de herhalingsfrequentie tussen de kammen. Als het monster echter licht uit de kam absorbeert, verandert dit de vorm van de intensiteitsmodulatie. De geabsorbeerde frequenties kunnen worden teruggewonnen uit een Fourier-transformatie van dit temporele interferentiepatroon.
Dubbelkamspectroscopie is zeer succesvol geweest bij infraroodfrequenties. Het gebruik van de techniek bij hogere frequenties is echter problematisch. “Er zijn geen ultrasnelle lasers die rechtstreeks in het ultraviolette gebied uitzenden”, legt Picqué uit, “dus je moet niet-lineaire frequentieconversie gebruiken, en hoe meer je in het ultraviolet wilt gaan, hoe meer stadia van niet-lineaire frequentieconversie jij hebt nodig." Niet-lineaire frequentie-opconversie is zeer inefficiënt, waardoor het vermogen bij elke fase afneemt.
Oplossing met laag vermogen
Tot nu toe hebben de meeste onderzoekers zich geconcentreerd op het vergroten van het vermogen van de inkomende infraroodlaser. “Je hebt een heel uitdagend experiment met lasers met hoog vermogen, veel lawaai en een heel duur systeem”, zegt Picqué. In het nieuwe onderzoek creëerden Picqué, Hänsch en collega's van het Max Planck Instituut voor Quantum Optics daarom een systeem met een veel lager gevraagd vermogen.
De onderzoekers hebben twee infraroodkammen tweemaal omgezet, eerst in een lithiumniobaatkristal en vervolgens in bismuttriboraat. De resulterende ultraviolette kammen genereerden gemiddelde optische vermogens van maximaal 50 pW. De onderzoekers lieten één ervan door een cel met verwarmd cesiumgas gaan, terwijl de andere rechtstreeks naar de interferometer werd gestuurd. Eén arm van de interferometer werd naar een enkele fotonenteller gestuurd. “Er zijn echt heel weinig tellingen”, zegt Picqué; “Als je één scan maakt, lijkt het signaal nergens op.” Vervolgens herhaalden ze echter steeds opnieuw precies dezelfde scan. "Als we de scan 100,000 of bijna een miljoen keer herhalen, krijgen we ons tijddomeininterferentiesignaal, en dat is het signaal waarnaar we op zoek zijn."
Nieuwe techniek verbetert de prestaties van dubbele optische frequentiekammen
In ongeveer 150 seconden scantijd konden de onderzoekers twee atomaire overgangen in cesium met vergelijkbare frequenties oplossen, met signaal-ruisverhoudingen van ongeveer 200. Ze konden ook de splitsing van een van de overgangen waarnemen, veroorzaakt door de hyperfijne interactie .
“Het idee om bij zeer weinig licht te werken is zeer contra-intuïtief”, zegt Picqué. “We laten zien dat de techniek kan werken met optische krachten die een miljoen keer zwakker zijn dan voorheen.” Ze hopen nu naar nog kortere golflengten in het vacuüm-ultraviolet te gaan. Afgezien van ultraviolette spectroscopie zou de mogelijkheid om dual-comb spectroscopie bij zeer lage vermogens te gebruiken nuttig kunnen zijn in een verscheidenheid aan andere situaties, legt Picqué uit, bijvoorbeeld wanneer monsters gevoelig zijn voor stralingsschade.
Tweekammenexpert Jason Jones van de Universiteit van Arizona, die experimenten doet tot ver in het vacuüm ultraviolet, is enthousiast over het werk van Max Planck. "Het maakt niet uit hoe ver je in het ultraviolet gaat, je zult altijd een minimale hoeveelheid licht hebben vanwege de manier waarop het wordt gegenereerd, dus als je minder licht kunt gebruiken, kun je altijd dieper gaan", zegt hij. “Het is daarvoor van groot belang dat we afzonderlijke fotonen kunnen gebruiken en toch goede signaal-ruis-spectroscopische resultaten kunnen verkrijgen.”
Het onderzoek is beschreven in NATUUR.
- Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
- PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
- PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
- PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
- Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
- Bron: https://physicsworld.com/a/ultraviolet-dual-comb-spectroscopy-system-counts-single-photons/
