En laser er nok

Gasser i miljøet kan spektroskopisk sonderes hurtigt og præcist ved hjælp af såkaldte dobbeltfrekvenskamme. Forskere ved ETH har nu udviklet en metode, hvorved sådanne frekvenskamme kan oprettes meget mere enkelt og billigere end før.

I modsætning til lyset fra en simpel lampe, laserlys har en meget præcist defineret frekvens. Dette gør den ideel til spektroskopiske undersøgelser, hvor stoffernes egenskaber bestemmes på grundlag af de frekvenser, hvormed de absorberer lys. En komplet spektroskopisk analyse kræver typisk lidt tålmodighed, da laserens frekvens gradvist skal ændres ("scannes") for at opnå et fuldt spektrogram. En gruppe fysikere ved ETH i Zürich ledet af Ursula Keller ved Institute for Quantum Electronics har nu demonstreret en banebrydende metode, der kan føre til enklere og hurtigere spektroskopiske undersøgelser i fremtiden. Til det formål, de udviklede en ny teknik til at skabe såkaldte dobbeltfrekvenskamme. Resultaterne er nu blevet offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Videnskab .

En lineal lavet af lys

Mens en normal laser udsender lys med en frekvens, en frekvenskam har et stort antal frekvenser i en konstant afstand fra hinanden - ligesom mærkerne på en lineal. Dette er muliggjort ved hjælp af lasere, der skaber ekstremt korte periodiske lyspulser. Sådanne pulstog har et kamlignende frekvensspektrum, som kan udvides yderligere ved hjælp af særlige optiske materialer. I 2005 blev Nobelprisen uddelt for laserbaseret præcisionsspektroskopi inklusive den optiske frekvenskamteknik, hvortil Ursula Keller i samarbejde med Harald Telle fra PTB Braunschweig opfandt nøglen, der muliggjorde teknologi til stabilisering af kammen i 1999.

I princippet kunne man undersøge et stof samtidigt med mange frekvenser ved hjælp af en sådan frekvenskam. Ved almindelig spektroskopi sendes en del af laserlyset gennem det materiale, der skal undersøges, og den anden del bruges som reference. Laserens frekvens scannes nu jævnt, og samtidig måles absorptionen af ​​laserlyset af stoffet i forhold til referencestrålen ved hjælp af to fotodetektorer. Fra denne frekvensscanning opnås det karakteristiske spektrogram for stoffet. Desværre, denne procedure kan ikke anvendes direkte på en frekvenskam. De forskellige frekvenser, der samtidigt findes i kammen, ville helt sikkert blive absorberet forskelligt. Fotodetektoren, imidlertid, ville ikke være i stand til at skelne dem fra hinanden. For at gøre det, det skulle direkte registrere den enkelte, overlejrede svingninger af lyset, hvilken, imidlertid, er umuligt i praksis på grund af deres høje frekvens på flere hundrede Terahertz (tusind milliarder svingninger pr. sekund).

Piano tunerens trick

Teknikken udviklet af Keller og hendes medarbejdere "oversætter" disse hurtige og ikke direkte målbare svingninger til meget langsommere, der let kan detekteres med konventionel elektronik. Denne procedure er afhængig af et trick, der bruges i en lignende form af klaverstemmere. For at opnå en ensartet tuning af de forskellige akkorder i samme tone anvender en klaverstemmer det beat, der frembringes ved overlejring af to forskellige frekvenser. Slaget pulserer med en hastighed, der svarer til forskellen mellem de to overlejrede frekvenser.

Forskerne på ETH bruger en meget lignende metode, hvor de opretter en anden frekvenskam, hvis frekvenser har en lidt anden afstand end dem i den første. Dette skaber par af frekvenser, som hver især resulterer i en lidt anden slagfrekvens. Disse beatfrekvenser er nu i Megahertz -regimet og kan let måles ved hjælp af fotodetektorer.

To frekvenskamme til en pris

Denne form for dual-kam spektroskopi har eksisteret i et par år, men den teknik, der nu er udviklet på ETH, gør det betydeligt enklere og billigere, som Sandro Link, Ph.d. -studerende og første forfatter af papiret, forklarer:"Den virkelige nyhed er, at vi skaber de to frekvenskamme med kun en laser i stedet for to, som skulle være omhyggeligt stabiliseret i forhold til hinanden. "Tricket, de bruger, består i en dobbeltbrytende krystal, der indsættes i en laser, hvilket får lyset til at rejse lidt forskellige afstande i henhold til dets polarisering (dvs. oscillationsretningen for den elektromagnetiske bølge). Som en konsekvens, de således fremstillede to laserstråler har lidt forskellige pulsperioder, hvilket igen fører til frekvenskamme med forskellige frekvensafstand. Da de to frekvenskamme er skabt af den samme laser, at stabilisere dem mod hinanden bliver overflødige.

En række mulige anvendelser af den nye teknologi præsenterer sig. Da det giver en mulighed for at producere et komplet spektrogram på mindre end en tusendels sekund, det er ideelt til at måle koncentrationen af ​​stoffer i miljøet eller i udstødninger fra fabrikker. Hurtigt flydende gasser i petrokemiske indstillinger kunne også analyseres hurtigt, for eksempel at overvåge og kontrollere produktionsprocesser.