Forskare vid Tammerfors universitet och deras medarbetare har visat hur spektroskopiska mätningar kan göras mycket snabbare. Genom att korrelera polarisation till färgen på en pulsad laser, teamet kan spåra förändringar i ljusets spektrum genom enkla och extremt snabba polarisationsmätningar. Metoden öppnar nya möjligheter att mäta spektrala förändringar på en nanosekundsskala över hela ljusets färgspektrum.

I spektroskopi, ofta förändringar av våglängden, dvs färg, av ett sondljus mäts efter interaktion med ett prov. Att studera dessa förändringar är en av nyckelmetoderna för att få en djupare förståelse av materialens egenskaper ner till atomnivå. Dess tillämpningar sträcker sig från astronomiska observationer och materialstudier, till grundläggande undersökningar av atomer och molekyler.

Forskargruppen har visat en ny spektroskopisk metod som har potential att påskynda mätningar till avläsningshastigheter som är omöjliga med konventionella scheman. Resultaten har nu publicerats i den prestigefyllda tidskriften Optica .

Spektroskopiska mätningar bygger vanligtvis på att de olika färgkomponenterna separeras till olika positioner, där spektrumet sedan kan läsas ut av en detektoruppsättning som liknar ett kamerachip. Även om detta tillvägagångssätt möjliggör en direkt inspektion av spektrumet, den är ganska långsam på grund av den begränsade hastigheten hos den stora utläsningsmatrisen. Den nya metoden som forskarna implementerade kringgår denna begränsning genom att generera ett mer komplext tillstånd av laserljus och därigenom möjliggöra ett snabbare mätschema.

"Vårt arbete visar ett enkelt sätt att ha olika polarisationer för alla färgkomponenter i lasern. Genom att använda detta ljus som en sond, vi kan helt enkelt mäta polarisationen för att få information om förändringar i färgspektrumet, " förklarar doktorand Lea Kopf, huvudförfattare till studien.

Knepet forskarna använder är att utföra en modulering i tidsdomänen genom att koherent dela upp en femto-sekunders puls av en laser i två delar-var och en med en annan polarisering något fördröjd i tid i förhållande till varandra.

"En sådan modulering kan enkelt göras med hjälp av en dubbelbrytande kristall, där olika polariserat ljus färdas med olika hastigheter. Detta leder till den spektralt förändrade polariseringen som krävs för vår metod, " beskriver docent Robert Fickler, som leder gruppen Experimental Quantum Optics där experimentet utfördes.

Höghastighetsspektroskopiska mätningar

Forskarna har inte bara visat hur sådana komplexa ljustillstånd kan genereras i labbet; de testade också sin tillämpning för att rekonstruera spektrala förändringar med enbart polarisationsanalys. Eftersom den senare endast kräver upp till fyra samtidiga intensitetsmätningar, några mycket snabba fotodioder kan användas.

Med denna metod, forskarna kan bestämma effekten av smalbandsmoduleringar av spektrumet med en precision som är jämförbar med standardspektrometrar men vid hög hastighet. "Dock, vi kunde inte pressa vårt mätschema till dess gränser när det gäller möjliga avläsningshastigheter, eftersom vi är begränsade av hastigheten på vårt moduleringsschema till några miljoner sampel per sekund, " fortsätter Kopf.

Bygger på dessa lovande första resultat, framtida uppgifter kommer att omfatta att tillämpa idén på mer bredbandsljus, som superkontinuumljuskällor, och att tillämpa schemat i spektroskopiska mätningar av naturligt snabbt varierande prover för att utnyttja dess fulla potential.

"Vi är glada över att vårt grundläggande intresse av att strukturera ljus på olika sätt nu har hittat en ny riktning, vilket verkar vara till hjälp för spektroskopiuppgifter som vanligtvis inte är vårt fokus. Som en kvantoptikgrupp, vi har redan börjat diskutera hur man kan tillämpa och dra nytta av dessa idéer i våra kvantfotoniska experiment, ", tillägger Fickler.