Forskere registrerer brede spektre med tæt på hundrede tusinde farver i næsten fuldstændigt mørke

Vores øjne er følsomme over for kun tre spektrale farvebånd (rød, grøn, blå), og folk kan ikke længere skelne farver, hvis det bliver meget mørkt. Spektroskopister kan identificere mange flere farver ved lysbølgernes frekvenser og kan skelne atomer og molekyler ved deres spektrale fingeraftryk. I et proof-of-princip-eksperiment, Nathalie Picqué og Theodor Hänsch fra Max-Planck Institute of Quantum Optics (MPQ) og Ludwig-Maximilian University (LMU) har nu registreret brede spektre med tæt på 100, 000 farver i næsten fuldstændig mørke. Eksperimentet anvender to tilstandslåste femtosekundlasere og en enkelt fotontællingsdetektor. Resultaterne er netop blevet offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences .

En tilstandslåst femtosekundlaser udsender hundredtusindvis af skarpe spektrallinjer, som er fordelt jævnt i frekvens. Sådanne laserfrekvenskamme er nu meget brugt til at tælle oscillationerne af en laserbølge, og de tjener som urværker i optiske atomure. Frekvenskamteknikken er blevet fremhævet, da Fysik Nobelprisen i 2005 blev tildelt Theodor Hänsch og John L. Hall.

I løbet af de sidste 15 år, Nathalie Picqué på MPQ har udnyttet frekvenskamme til nye tilgange til bredbåndsoptisk spektroskopi. I sin teknik med dobbeltkam spektroskopi, alle kamlinjerne i en laser interrogerer en prøve samtidigt over et bredt spektralområde, og kamlinjerne fra en anden laser med lidt forskellig afstand forstyrrer en hurtig fotodetektor til udlæsning. Par af kamlinjer, en fra hver laser, producere radiofrekvente takttoner i detektorsignalet. Disse radiofrekvenssignaler kan digitaliseres og behandles af en computer. Enhver optisk spektral struktur i prøven dukker op igen som et tilsvarende mønster i kammen af ​​radiofrekvente signaler. Optiske signaler bremses effektivt med en stor faktor svarende til lasergentagelsesfrekvensen divideret med forskellen i gentagelsesfrekvenser. De unikke fordele ved dette kraftfulde spektroskopiske værktøj omfatter praktisk talt ubegrænset spektral opløsning, mulig kalibrering med et atomur, og meget konsekvent optagelse af komplekse spektre uden behov for scanning eller mekanisk bevægelige dele.

Picqué og Hänsch har nu vist, at dual-comb spektroskopi kan udvides til ekstremt lave lysintensiteter i fotontællingsregimet. Interferenssignalerne kan observeres i statistikken over klikkene fra fotontællerdetektoren, selvom effekten er så lav, at der kun registreres ét klik i løbet af 2000 laserimpulser, gennemsnitlig. Under sådanne omstændigheder, det er ekstremt usandsynligt, at to fotoner, en fra hver laser, er til stede i detektionsvejen på samme tid. Forsøget kan ikke forklares intuitivt, hvis man antager, at en foton eksisterer før detektion.

Evnen til at arbejde ved lysintensiteter, der er en milliard gange lavere end normalt, åbner spændende nye perspektiver for dobbeltkamsspektroskopi. Nathalie Picqué siger, "Metoden kan nu udvides til spektrale områder, hvor højst svage frekvens kamkilder er tilgængelige, såsom den ekstreme ultraviolette eller bløde røntgenregion. Spektroskopiske signaler kan opnås gennem stærkt dæmpende materialer eller gennem tilbagespredning over store afstande. Og det bliver muligt at udtrække dobbeltkamspektre fra nanoskopiske prøver ned til enkelte atomer eller molekyler, som kun producerer svage fluorescenssignaler."

Theodor Hänsch husker det øjeblik i laboratoriet, hvor et interferensmønster først dukkede op i statistikken over detektorklik:"Jeg følte mig begejstret. Selv efter at have arbejdet med laserspektroskopi i mere end 50 år, Det forekom mig ret kontraintuitivt, at enkelte detekterede fotoner kunne være 'bevidste' om de to lasere med deres store antal kamlinjer og det komplekse spektrum af en prøve."