Gør mere med terahertz:forenkling af nær-infrarøde spektroskopisystemer

Spektroskopi har rødder i det tidlige 19. århundredes nysgerrighed om interaktioner mellem stof og elektromagnetisk stråling. Takket være fremskridt inden for elektronik og materialevidenskab, forskellige spektroskopiteknikker bruges nu rutinemæssigt til at studere sammensætningen af ​​materialer og arten af ​​deres kemiske bindinger ved at analysere, hvordan de absorberer eller reflekterer elektromagnetiske bølger.

Forskellige materialer har forskellige absorptionsprofiler på tværs af en lang række frekvenser. Nogle vigtige funktioner i visse molekylære systemer, som hydrogenbindinger i vandige systemer eller selvsamling af proteiner, kan kun ses i deres absorptionsprofiler ved frekvenser i størrelsesordenen terahertz (THz, 1000 milliarder Hertz), et nær-infrarødt område. Forskere har aktivt udviklet spektroskopiteknikker, der er kompatible med så høje frekvenser, og en lovende kaldes THz dual-comb spektroskopi.

Selvom denne metode giver mange fordele i forhold til andre i terahertz-serien, dets brug har været begrænset på grund af målesystemets høje kompleksitet, som typisk kræver to uafhængige stabile lasere som strålingskilder. Nu, forskere fra Tokushima University, Japan, Beihang Universitet, Kina, og Université du Littoral Côte d'Opale, Frankrig, har rapporteret et nyt skema for THz dual-comb spektroskopi, der kun kræver en enkelt laserkilde, mens den stadig giver enestående opløsning.

For at forstå de vigtigste aspekter af deres metode, det hjælper med at forstå det grundlæggende i THz dual-comb spektroskopi. Udtrykket "dual-comb" refererer til det faktum, at laseren pulserer, når plottet versus frekvens, ligne en serie af lige store spidser (spektrallinjer) over et bredt frekvensområde i terahertz-området, og deraf en "kam". Ved dobbeltkam spektroskopi, to lasere med lidt forskellige "kamme" bruges til at måle en prøves absorptionsprofil. På grund af systemets natur, det signal, der faktisk måles, som er resultatet af "blandingen" af de to kamme, optager et meget lavere frekvensområde, men afspejler stadig al den højfrekvente information af interesse. Brugen af ​​to lasere, imidlertid, kan resultere i et problem med stabiliseringskontrol.

For at løse problemet med stabilisering, forskerne brugte en enkelt laser til at fremstille de to kamme. Imidlertid, når begge kamme er produceret af den samme laserkilde, en "jitter" eller timing-ustabilitet slører den højfrekvente information, der afspejles i det endelige lavfrekvente signal, der måles. De korrigerede dette uønskede fænomen ved at bruge en teknik kaldet adaptiv prøvetagning , hvorved signalet, der skal optages digitalt, ikke samples i lige store tidsperioder, men på bestemte tidspunkter beregnet for at minimere eventuelle drifter eller fejl i den relative timing mellem kamme.

For at demonstrere deres metode, forskerne udførte målinger på en blanding af luft og forbindelsen acetonitril. Denne specielle gas udviser karakteristiske egenskaber, når den bestråles med terahertz-stråling og, mest vigtigt, disse funktioner varierer lidt med trykket. Fordi disse variationer er meget små, tidligere dual-comb spektroskopi tilgange ved hjælp af en enkelt laser var ude af stand til at detektere dem på grund af deres begrænsede opløsning. I modsætning, forskerne kunne bruge skemaet foreslået i denne undersøgelse til nøjagtigt at observere mange af disse funktioner. De rapporterer en bemærkelsesværdig smal absorptionslinjebredde (25 MHz) - den første opnået med en dual-comb fiberlaser.

Forskerne arbejder allerede på endnu en komplementær teknik, der kan skubbe opløsningen af ​​THz dual-comb spektroskopi med en enkelt laser endnu længere. Reduktionen i systemkompleksitet som følge af deres brug af den adaptive prøvetagningsteknik kunne udvide anvendelsesområderne for præcis THz-spektroskopi, at give videnskabsmænd et kraftfuldt, men simpelt værktøj til yderligere at udforske den materielle verden.