Våra ögon är känsliga för endast tre spektrala färgband (röd, grön, blå), och folk kan inte längre urskilja färger om det blir väldigt mörkt. Spektroskopister kan identifiera många fler färger med ljusvågornas frekvenser och kan skilja atomer och molekyler genom sina spektrala fingeravtryck. I ett proof-of-princip-experiment, Nathalie Picqué och Theodor Hänsch från Max-Planck Institute of Quantum Optics (MPQ) och Ludwig-Maximilian University (LMU) har nu spelat in breda spektra med nära 100, 000 färger i nästan helt mörker. Experimentet använder två lägeslåsta femtosekundslasrar och en enda fotonräkningsdetektor. Resultaten har just publicerats i Förfaranden från National Academy of Sciences .

En lägeslåst femtosekundlaser sänder ut hundratusentals skarpa spektrallinjer som är jämnt fördelade i frekvens. Sådana laserfrekvenskammar används nu i stor utsträckning för att räkna svängningarna i en laservåg och de fungerar som urverk i optiska atomur. Frekvenskamtekniken har lyfts fram när 2005 års fysiknobelpris tilldelades Theodor Hänsch och John L. Hall.

Under de senaste 15 åren, Nathalie Picqué på MPQ har utnyttjat frekvenskammar för nya metoder för bredbandsoptisk spektroskopi. I sin teknik med dubbelkammsspektroskopi, alla kamlinjer i en laser förhör ett prov samtidigt över ett brett spektralområde, och kamlinjerna hos en andra laser med något annorlunda avstånd stör en snabb fotodetektor för avläsning. Par av kamlinjer, en från varje laser, producera radiofrekventa takttoner i detektorsignalen. Dessa radiofrekvenssignaler kan digitaliseras och bearbetas av en dator. Vilken optisk spektral struktur som helst i provet återkommer som ett motsvarande mönster i kammen av radiofrekventa signaler. Optiska signaler bromsas effektivt ner med en stor faktor lika med laserrepetitionsfrekvensen dividerad med skillnaden i repetitionsfrekvenser. De unika fördelarna med detta kraftfulla spektroskopiska verktyg inkluderar praktiskt taget obegränsad spektralupplösning, möjlig kalibrering med en atomklocka, och mycket konsekvent insamling av komplexa spektra utan behov av skanning eller mekaniskt rörliga delar.

Picqué och Hänsch har nu visat att dubbelkamspektroskopi kan utökas till extremt låga ljusintensiteter i fotonräkningsregimen. Störningssignalerna kan observeras i statistiken över klicken från fotonräkningsdetektorn, även om effekten är så låg att endast ett klick registreras under tiden för 2000 laserpulser, i genomsnitt. Under sådana omständigheter, det är extremt osannolikt att två fotoner, en från varje laser, är närvarande i detekteringsvägen samtidigt. Experimentet kan inte förklaras intuitivt om man antar att en foton existerar före detektion.

Förmågan att arbeta med ljusintensiteter som är miljarder gånger lägre än vad som vanligtvis används öppnar spännande nya möjligheter för dubbelkammsspektroskopi. Nathalie Picqué säger, "Metoden kan nu utvidgas till spektralområden där som mest svaga frekvenskamkällor finns tillgängliga, såsom den extrema ultravioletta eller mjuka röntgenregionen. Spektroskopiska signaler kan erhållas genom starkt dämpande material eller genom backspridning över stora avstånd. Och det blir möjligt att extrahera dubbla kamspektra från nanoskopiska prover ner till enstaka atomer eller molekyler, som endast producerar svaga fluorescenssignaler."

Theodor Hänsch minns ögonblicket i laboratoriet när ett interferensmönster först dök upp i statistiken över detektorklick:"Jag kände mig glad. Även efter att ha arbetat med laserspektroskopi i mer än 50 år, Det verkade ganska kontraintuitivt för mig att enstaka detekterade fotoner kunde vara "medvetna" om de två lasrarna med deras stora antal kamlinjer och om det komplexa spektrumet av ett prov."