Ultraviolett spektroskopi spelar en avgörande roll i studiet av elektroniska övergångar i atomer och rovibroniska övergångar i molekyler. Dessa studier är nödvändiga för tester av fundamental fysik, kvantelektrodynamikteori, bestämning av fundamentala konstanter, precisionsmätningar, optiska klockor, högupplöst spektroskopi till stöd för atmosfärskemi och astrofysik, och starkfältsfysik.
Forskare i gruppen av Nathalie Picqué vid Max-Planck Institute of Quantum Optics har nu gjort ett betydande steg inom området för ultraviolett spektroskopi genom att framgångsrikt implementera högupplöst linjär-absorption dubbelkamspektroskopi i det ultravioletta spektralområdet. Denna banbrytande prestation öppnar upp för nya möjligheter för att utföra experiment under svaga ljusförhållanden, vilket banar väg för nya tillämpningar inom olika vetenskapliga och tekniska områden.
Dual-comb spektroskopi, en kraftfull teknik för exakt spektroskopi över breda spektrala bandbredder, har främst använts för infraröd linjär absorption av små molekyler i gasfasen. Den bygger på att mäta den tidsberoende interferensen mellan två frekvenskammar med något olika repetitionsfrekvenser.
En frekvenskam är ett spektrum av jämnt fördelade, faskoherenta laserlinjer som fungerar som en linjal för att mäta ljusets frekvens med extrem precision. Dual-comb-tekniken lider inte av de geometriska begränsningarna som är förknippade med traditionella spektrometrar och erbjuder stor potential för hög precision och noggrannhet.
Dubbelkammsspektroskopi kräver dock vanligtvis intensiva laserstrålar, vilket gör den mindre lämplig för scenarier där låga ljusnivåer är kritiska. MPQ-teamet har nu experimentellt visat att dubbelkamspektroskopi effektivt kan användas i förhållanden med svältljus vid effektnivåer som är mer än en miljon gånger svagare än de som vanligtvis används.
Detta genombrott uppnåddes med hjälp av två distinkta experimentuppställningar med olika typer av frekvenskamgeneratorer. Teamet utvecklade en interferometer på fotonnivå som noggrant registrerar statistiken för fotonräkning och visar ett signal-brusförhållande vid grundgränsen. Denna prestation framhäver den optimala användningen av tillgängligt ljus för experiment och öppnar upp möjligheterna till dubbelkamspektroskopi i utmanande scenarier där låga ljusnivåer är avgörande.
MPQ-forskarna tog upp utmaningarna i samband med att generera ultravioletta frekvenskammar och bygga interferometrar med dubbla kammar med långa koherenstider, vilket banade väg för framsteg i detta eftertraktade mål. De kontrollerade utsökt den ömsesidiga koherensen mellan två kamlasrar med en femtowatt per kamlinje, vilket demonstrerade en optimal uppbyggnad av räknestatistiken för deras interferenssignal över tider som översteg en timme.
"Vårt innovativa tillvägagångssätt för interferometri i svagt ljus övervinner de utmaningar som den låga effektiviteten av icke-linjär frekvensomvandling innebär och lägger en solid grund för att utöka dubbelkamspektroskopi till ännu kortare våglängder", kommenterar Bingxin Xu, postdoktorn som ledde experimenten.
En spännande framtida tillämpning är faktiskt utvecklingen av dubbelkamspektroskopi vid korta våglängder för att möjliggöra exakt vakuum- och extrem-ultraviolett molekylär spektroskopi över breda spektrala spann. För närvarande är bredbandsextrema UV-spektroskopi begränsad i upplösning och noggrannhet och förlitar sig på unik instrumentering vid specialiserade anläggningar.
"Ultraviolett dubbelkamspektroskopi, även om det är ett utmanande mål, har nu blivit ett realistiskt mål som ett resultat av vår forskning. Viktigt är att våra resultat utökar den fulla kapaciteten hos dubbelkamspektroskopi till förhållanden med svagt ljus, vilket låser upp nya tillämpningar inom precisionsspektroskopi , biomedicinsk avkänning och miljöatmosfäriskt ljud," avslutar Nathalie Picqué.
Resultaten publiceras i tidskriften Nature .
Mer information: Bingxin Xu et al, nära-ultraviolett fotonräknande dubbelkamspektroskopi, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07094-9
Journalinformation: Natur
Tillhandahålls av Max Planck Society
