Quang phổ lược kép – quang phổ hấp thụ sử dụng sự giao thoa giữa hai lược tần số – đã được thực hiện ở bước sóng tử ngoại bằng cách sử dụng các photon đơn lẻ. Công trình nghiên cứu có thể dẫn tới việc sử dụng kỹ thuật này ở các bước sóng ngắn hơn, nơi không có các tia laser lược công suất cao. Kỹ thuật này cũng có thể tìm ra những ứng dụng mới.
Kể từ khi được phát minh vào buổi bình minh của thế kỷ 21, lược tần số đã trở thành công cụ quan trọng trong quang học. Kết quả là, Theodor Hansch của Viện Quang học Lượng tử Max Planck ở Đức và John Hall của Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Hoa Kỳ đã chia sẻ giải thưởng Nobel năm 2005 cho phát minh của họ. Một chiếc lược tần số bao gồm các xung ánh sáng ngắn, định kỳ chứa phổ ánh sáng rất rộng với các đỉnh cường độ ở những khoảng tần số đều đặn – giống như răng của một chiếc lược. Những quang phổ như vậy đặc biệt hữu ích bất cứ khi nào cần ánh sáng ở tần số xác định chính xác, chẳng hạn như trong đồng hồ nguyên tử hoặc quang phổ.
Trong phương pháp quang phổ truyền thống, lược tần số có thể được sử dụng làm “thước đo quang học” khi thăm dò mẫu bằng tia laser khác. “Bạn có tia laser [CW] sóng liên tục tương tác với mẫu mà bạn muốn phân tích và bạn muốn đo tần số tuyệt đối của tia laser CW này,” giải thích Nathalie Picqué của Viện Quang học Lượng tử Max Planck. “Và để làm được điều này, bạn sẽ đánh bại tia laser bằng lược tần số. Vì vậy, lược tần số mang lại cho bạn khả năng đo bất kỳ tần số nào nhưng tại một thời điểm nhất định, bạn chỉ đo được một tần số.”
Thay đổi cường độ
Ngược lại, phương pháp quang phổ lược kép cho mẫu tiếp xúc với ánh sáng băng thông rộng từ chính lược tần số. Vì đầu vào là băng thông rộng nên đầu ra cũng là băng thông rộng. Tuy nhiên, ánh sáng truyền qua mẫu kết hợp với ánh sáng từ lược tần số thứ hai có tần số lặp lại hơi khác một chút ở giao thoa kế. Cường độ thay đổi của ánh sáng phát ra từ giao thoa kế được ghi lại (xem hình).
Nếu mẫu không tương tác với lược tần số đầu tiên – sự thay đổi cường độ định kỳ chỉ đơn giản phản ánh sự khác biệt về tần số lặp lại giữa các lược. Tuy nhiên, nếu mẫu hấp thụ ánh sáng từ lược, điều này sẽ làm thay đổi hình dạng điều chế cường độ. Các tần số được hấp thụ có thể được phục hồi từ biến đổi Fourier của mẫu giao thoa thời gian này.
Quang phổ lược kép đã rất thành công ở tần số hồng ngoại. Tuy nhiên, việc sử dụng kỹ thuật này ở tần số cao hơn lại có vấn đề. Picqué giải thích: “Không có tia laser cực nhanh nào phát ra trực tiếp trong vùng tử ngoại,” Picqué giải thích, “vì vậy bạn cần sử dụng chuyển đổi tần số phi tuyến tính, và bạn càng muốn đi sâu vào vùng tử ngoại thì càng có nhiều giai đoạn chuyển đổi tần số phi tuyến tính. bạn cần." Chuyển đổi tăng tần số phi tuyến tính rất kém hiệu quả, do đó công suất giảm ở mỗi giai đoạn.
Giải pháp năng lượng thấp
Cho đến nay, hầu hết các nhà nghiên cứu đều tập trung vào việc tăng công suất của tia laser hồng ngoại tới. Picqué nói: “Bạn có một thí nghiệm hết sức khó khăn với các tia laser công suất cao, nhiều tiếng ồn và một hệ thống rất đắt tiền”. Do đó, trong nghiên cứu mới, Picqué, Hänsch và các cộng sự tại Viện Quang học Lượng tử Max Planck đã tạo ra một hệ có yêu cầu năng lượng thấp hơn nhiều.
Các nhà nghiên cứu đã chuyển đổi hai lược hồng ngoại hai lần, lần đầu tiên ở tinh thể lithium niobate và sau đó ở bismuth triborat. Các lược tia cực tím thu được tạo ra công suất quang trung bình tối đa là 50 pW. Các nhà nghiên cứu đã cho một trong số chúng đi qua một tế bào khí Caesium được làm nóng, trong khi vật còn lại được gửi thẳng đến giao thoa kế. Một nhánh của giao thoa kế được gửi tới một máy đếm photon. “Thực sự có rất ít số lượng,” Picqué nói; “Nếu bạn quét một lần, tín hiệu sẽ không giống bất cứ thứ gì.” Tuy nhiên, sau đó họ lặp đi lặp lại chính xác cùng một lần quét. “Khi chúng tôi lặp lại quá trình quét 100,000 hoặc gần một triệu lần, chúng tôi nhận được tín hiệu nhiễu miền thời gian, đó là tín hiệu mà chúng tôi đang tìm kiếm.”
Kỹ thuật mới tăng hiệu suất của lược tần số quang kép
Trong khoảng 150 giây thời gian quét, các nhà nghiên cứu có thể giải quyết hai chuyển đổi nguyên tử trong Caesium có tần số tương tự nhau, với tỷ số tín hiệu trên nhiễu khoảng 200. Họ cũng có thể quan sát sự phân tách của một trong các chuyển đổi gây ra bởi tương tác siêu tinh tế. .
Picqué nói: “Ý tưởng làm việc ở mức ánh sáng rất thấp là rất phản trực giác”. “Chúng tôi chứng tỏ rằng kỹ thuật này có thể hoạt động với năng lượng quang học yếu hơn một triệu lần so với năng lượng quang học đã được sử dụng trước đây”. Bây giờ họ hy vọng có thể đẩy tới những bước sóng thậm chí còn ngắn hơn trong tia cực tím chân không. Ngoài quang phổ tử ngoại, khả năng sử dụng quang phổ lược kép ở công suất rất thấp có thể tỏ ra hữu ích trong nhiều tình huống khác, Picqué giải thích, chẳng hạn như khi các mẫu dễ bị tổn hại do bức xạ.
Chuyên gia lược kép Jason Jones của Đại học Arizona, người thực hiện các thí nghiệm sâu trong vùng tử ngoại chân không, rất nhiệt tình với công trình của Max Planck. “Cho dù bạn đi xa đến mức nào trong vùng tia cực tím, bạn sẽ luôn có một lượng ánh sáng tối thiểu do cách nó tạo ra, vì vậy nếu bạn có thể sử dụng ít ánh sáng hơn, bạn sẽ luôn có thể đi sâu hơn,” ông nói. “Việc có thể sử dụng các photon đơn lẻ mà vẫn thu được kết quả quang phổ tín hiệu trên nhiễu tốt là rất có ý nghĩa đối với điều đó.”
Nghiên cứu được mô tả trong Thiên nhiên.
- Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Trao quyền cho chính mình. Truy cập Tại đây.
- PlatoAiStream. Thông minh Web3. Kiến thức khuếch đại. Truy cập Tại đây.
- Trung tâmESG. Than đá, công nghệ sạch, Năng lượng, Môi trường Hệ mặt trời, Quản lý chất thải. Truy cập Tại đây.
- PlatoSức khỏe. Tình báo thử nghiệm lâm sàng và công nghệ sinh học. Truy cập Tại đây.
- nguồn: https://physicsworld.com/a/ultraviolet-dual-comb-spectroscopy-system-counts-single-photons/
