Ny højhastighedsmetode til spektroskopiske målinger

Forskere ved Tampere Universitet og deres samarbejdspartnere har vist, hvordan spektroskopiske målinger kan foretages meget hurtigere. Ved at korrelere polarisering til farven på en pulserende laser, holdet kan spore ændringer i lysspektret ved simple og ekstremt hurtige polarisationsmålinger. Metoden åbner nye muligheder for at måle spektrale ændringer på en nanosekunds tidsskala over hele lysets farvespektrum.

I spektroskopi, ofte ændringer i bølgelængden, dvs farve, af et probelys måles efter interaktion med en prøve. At studere disse ændringer er en af ​​nøglemetoderne til at opnå en dybere forståelse af materialers egenskaber ned til atomniveau. Dens anvendelser spænder fra astronomiske observationer og materialestudier, til grundlæggende undersøgelser af atomer og molekyler.

Forskerholdet har demonstreret en ny spektroskopisk metode, som har potentialet til at fremskynde målinger til udlæsningshastigheder, der er umulige med konventionelle skemaer. Resultaterne er nu offentliggjort i det prestigefyldte tidsskrift Optica .

Spektroskopiske målinger er normalt afhængige af at adskille de forskellige farvekomponenter til forskellige positioner, hvor spektret så kan udlæses af et detektorarray svarende til en kamerachip. Selvom denne tilgang muliggør en direkte inspektion af spektret, den er ret langsom på grund af den begrænsede hastighed af det store udlæsningsarray. Den nye metode, som forskerne implementerede, omgår denne begrænsning ved at generere en mere kompleks tilstand af laserlys og derved tillade et hurtigere måleskema.

"Vores arbejde viser en enkel måde at have forskellige polariseringer for alle farvekomponenter i laseren. Ved at bruge dette lys som en sonde, vi kan simpelthen måle polarisationen for at få information om ændringer i farvespektret, " forklarer doktorgradsforsker Lea Kopf, hovedforfatter af undersøgelsen.

Tricket, som forskerne bruger, er at udføre en modulering i det tidsmæssige domæne ved kohærent at opdele en femto-sekund puls af en laser i to dele - hver med en anden polarisering lidt forsinket i tid i forhold til hinanden.

"En sådan modulering kan nemt udføres ved hjælp af en dobbeltbrydende krystal, hvor forskelligt polariseret lys rejser med forskellige hastigheder. Dette fører til den spektralt skiftende polarisering, der kræves for vores metode, " beskriver lektor Robert Fickler, der leder den eksperimentelle kvanteoptikgruppe, hvor eksperimentet blev udført.

Spektroskopiske målinger med høj hastighed

Forskerne har ikke kun demonstreret, hvordan sådanne komplekse lystilstande kan genereres i laboratoriet; de testede også deres anvendelse til at rekonstruere spektrale ændringer kun ved brug af polarisationsanalyse. Da sidstnævnte kun kræver op til fire samtidige intensitetsmålinger, nogle få meget hurtige fotodioder kan bruges.

Ved at bruge denne tilgang, forskerne kan bestemme effekten af ​​smalbåndsmodulationer af spektret med en præcision, der kan sammenlignes med standardspektrometre, men ved høj hastighed. "Imidlertid, vi kunne ikke presse vores måleskema til dets grænser med hensyn til mulige udlæsningshastigheder, da vi er begrænset af hastigheden af ​​vores moduleringsskema til et par millioner prøver i sekundet, " fortsætter Kopf.

Med udgangspunkt i disse lovende indledende resultater, fremtidige opgaver vil omfatte at anvende ideen til mere bredbåndslys, såsom super kontinuum lyskilder, og at anvende skemaet i spektroskopiske målinger af naturligt hurtigt varierende prøver for at udnytte dets fulde potentiale.

"Vi er glade for, at vores grundlæggende interesse i at strukturere lys på forskellige måder nu har fundet en ny retning, hvilket ser ud til at være nyttigt til spektroskopiopgaver, som normalt ikke er vores fokus. Som en kvanteoptikgruppe, vi er allerede begyndt at diskutere, hvordan man kan anvende og drage fordel af disse ideer i vores kvantefotonik-eksperimenter, " tilføjer Fickler.