Ультрафіолетова подвійно-гребінчата спектроскопія з рахунком фотонів
Ультрафіолетова подвійно-гребінчата спектроскопія з рахунком фотонів
Спектроскопія з подвійною гребінкою (dual-comb spectroscopy) – спектроскопія поглинання, яка використовує інтерференцію між двома частотними гребінками – була виконана на довжинах хвиль ультрафіолетового випромінювання з використанням окремих фотонів. Робота прокладає шлях до використання цього спектрального методу на коротших довжинах хвиль, де недоступні високопотужні гребінчасті лазери.
З моменту винаходу на початку 21 століття частотні гребінки стали важливими інструментами в оптиці, за що Теодор Хенш з Інституту квантової оптики Макса Планка в Німеччині та Джон Холл з Національного інституту стандартів і технологій США отримали Нобелівську премію 2005 року. Частотна гребінка складається з коротких періодичних світлових імпульсів, що містять дуже широкий спектр світла з піками інтенсивності через регулярні частотні інтервали, що нагадує зубці гребінця. Такі спектри особливо корисні, коли потрібне світло з точно визначеною частотою, наприклад, в атомних годинниках або спектроскопії.
У традиційній спектроскопії частотну гребінку можна використовувати як «оптичну лінійку» під час зондування зразка іншим лазером. Якщо є неперервний лазер, який взаємодіє зі зразком, і потрібно виміряти абсолютну частоту цього лазера, то для цього накладають випромінювання неперервного лазера й гребінки. Таким чином, частотна гребінка дає можливість виміряти будь-яку частоту, але в певний момент часу вимірюється лише одна. Спектроскопія з подвійною гребінкою піддає зразок широкосмуговому випромінюванню гребінки. Світло, що проходить через зразок, поєднується в інтерферометрі зі світлом від другої частотної гребінки з дещо іншою частотою повторення. Реєструється зміна інтенсивності світла, що виходить з інтерферометра. Якщо зразок не взаємодіяв з першою частотною гребінкою – періодична зміна інтенсивності просто відображає різницю в частоті повторення між гребінками. Однак, якщо зразок поглинає світло гребінки, це змінює форму модуляції інтенсивності. Поглинені частоти можна відновити за допомогою перетворення Фур'є цієї інтерференційної картини.
Спектроскопія з подвійною гребінкою була дуже успішною в інфрачервоному діапазоні. Проте використання цієї методики на вищих частотах (в ультрафіолеті) є проблематичним, бо немає надшвидких (фемтосекундних) лазерів, які випромінюють безпосередньо в ультрафіолетовому діапазоні, тому потрібно використовувати нелінійне перетворення частоти, і чим далі в ультрафіолет, тим менша потужність такого випромінювання. Досі більшість дослідників намагались збільшити потужності вхідного інфрачервоного лазера, що збільшувало вартість системи. Нова робота вчених з Інституту квантової оптики Макса Планка пропонує систему з набагато меншою необхідною потужністю.
Дослідники двічі конвертували дві інфрачервоні гребінки, спочатку в кристалі ніобату літію, а потім у трибораті вісмуту. Отримані ультрафіолетові гребінки генерували середню оптичну потужність щонайбільше 50 пВт. Дослідники пропустили одну з них через комірку з нагрітим газом цезію, а іншу направили прямо в інтерферометр. Одне плече інтерферометра було направлено на лічильник фотонів. Для отримання хорошого сигналу необхідно близько мільйона «сканувань» зразка. В експерименті, приблизно за 150 с часу сканування, дослідники змогли розрізнити два характерні атомні переходи цезію зі співвідношенням сигнал/шум близько 200. Вони також спостерігали надтонку структуру одного з переходів.
Крім ультрафіолетової спектроскопії, здатність використовувати подвійну гребінчасту спектроскопію при дуже низьких потужностях може виявитися корисною в багатьох інших ситуаціях, наприклад, коли зразки схильні до пошкодження випромінюванням.
1. Xu, B., Chen, Z., Hänsch, T.W. et al. Near-ultraviolet photon-counting dual-comb spectroscopy. Nature 627, 289–294 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07094-9
