Gaser i miljön kan spektroskopiskt sonderas snabbt och exakt med så kallade dubbla frekvenskammar. Forskare vid ETH har nu utvecklat en metod med vilken sådana frekvenskammar kan skapas mycket enklare och billigare än tidigare.

I motsats till ljuset från en enkel lampa, laserljus har en mycket exakt definierad frekvens. Detta gör den idealisk för spektroskopiska undersökningar, där ämnenas egenskaper bestäms utifrån de frekvenser vid vilka de absorberar ljus. En fullständig spektroskopisk analys kräver vanligtvis lite tålamod, eftersom laserns frekvens gradvis måste ändras ("skannas") för att få ett fullständigt spektrogram. En grupp fysiker vid ETH i Zürich under ledning av Ursula Keller vid Institute for Quantum Electronics har nu visat en banbrytande metod som kan leda till enklare och snabbare spektroskopiska undersökningar i framtiden. I det syftet, de utvecklade en ny teknik för att skapa så kallade dubbla frekvenskammar. Resultaten har nu publicerats i den vetenskapliga tidskriften Vetenskap .

En linjal av ljus

Medan en normal laser avger ljus med en frekvens, en frekvenskam har ett stort antal frekvenser på ett konstant avstånd från varandra - precis som märkena på en linjal. Detta möjliggörs genom att använda lasrar som skapar extremt korta periodiska ljuspulser. Sådana pulståg har ett kamliknande frekvensspektrum, som kan breddas ytterligare med särskilda optiska material. År 2005 tilldelades Nobelpriset för laserbaserad precisionsspektroskopi inklusive optisk frekvenskamteknik, till vilken Ursula Keller i samarbete med Harald Telle från PTB Braunschweig uppfann nyckeln möjliggörande teknik för stabilisering av kammen 1999.

I princip skulle man kunna sondera ett ämne samtidigt med många frekvenser med en sådan frekvenskam. Vid vanlig spektroskopi skickas en del av laserljuset genom materialet som ska studeras, och den andra delen används som referens. Laserns frekvens skannas nu stadigt, och samtidigt mäts absorptionen av laserljuset av ämnet i förhållande till referensstrålen med hjälp av två fotodetektorer. Från denna frekvensskanning erhålls det karakteristiska spektrogrammet för ämnet. Tyvärr, denna procedur kan inte tillämpas direkt på en frekvenskam. De olika frekvenser som samtidigt finns i kammen skulle säkert absorberas annorlunda. Fotodetektorn, dock, skulle inte kunna skilja dem åt. Att göra så, det måste registrera individen direkt, överlagrade svängningar av ljuset, som, dock, är omöjligt i praktiken på grund av deras höga frekvens på flera hundra Terahertz (tusen miljarder svängningar per sekund).

Pianotunerns trick

Tekniken som utvecklats av Keller och hennes medarbetare "översätter" dessa snabba och inte direkt mätbara svängningar till mycket långsammare sådana som enkelt kan upptäckas med konventionell elektronik. Denna procedur bygger på ett trick som används i liknande form av pianostämmare. För att få en likadan stämning av de olika ackorden i samma ton använder en pianostemmare det slag som produceras av överlagringen av två olika frekvenser. Slaget pulserar med en hastighet som motsvarar skillnaden mellan de två överlagrade frekvenserna.

Forskarna vid ETH använder en mycket liknande metod där de skapar en andra frekvenskam, vars frekvenser har något annorlunda avstånd än de i den första. Detta skapar par av frekvenser, var och en resulterar i en något annorlunda slagfrekvens. Dessa slagfrekvenser är nu i Megahertz -regimen och kan enkelt mätas med fotodetektorer.

Två frekvenskammar för priset av en

Denna typ av dubbelkammspektroskopi har funnits i några år, men den teknik som nu utvecklats vid ETH gör det betydligt enklare och billigare, som Sandro Link, Doktorand och första författare till uppsatsen, förklarar:"Den verkliga nyheten är att vi skapar de två frekvenskammarna med bara en laser istället för två, som måste omsorgsfullt stabiliseras med avseende på varandra. "Knepet de använder består av en dubbelbrytande kristall som sätts in i en laser, vilket får ljuset att färdas något olika avstånd beroende på dess polarisering (dvs. oscillationsriktningen för den elektromagnetiska vågen). Som en konsekvens, de två sålunda producerade laserstrålarna har något olika pulsperioder, vilket i sin tur leder till frekvenskammar med olika frekvensavstånd. Eftersom de två frekvenskammarna skapas av samma laser, att stabilisera dem mot varandra blir överflödiga.

Ett antal möjliga tillämpningar av den nya tekniken presenterar sig. Eftersom det tillåter en att producera ett komplett spektrogram på mindre än en tusendels sekund, den är idealisk för att mäta koncentrationen av ämnen i miljön eller i avgasutsläpp från fabriker. Snabbflödande gaser i petrokemiska miljöer kan också analyseras snabbt, till exempel för att övervaka och kontrollera produktionsprocesser.