Ultraviolet spektroskopi:Et spring i præcision og nøjagtighed ved ekstremt lave lysniveauer

Ultraviolet spektroskopi spiller en kritisk rolle i studiet af elektroniske overgange i atomer og rovibroniske overgange i molekyler. Disse undersøgelser er essentielle for test af fundamental fysik, kvanteelektrodynamikteori, bestemmelse af fundamentale konstanter, præcisionsmålinger, optiske ure, højopløsningsspektroskopi til støtte for atmosfærisk kemi og astrofysik og stærkt feltfysik.

Forskere i gruppen af ​​Nathalie Picqué ved Max-Planck Institute of Quantum Optics har nu taget et betydeligt spring inden for ultraviolet spektroskopi ved med succes at implementere højopløsnings lineær absorption dual-comb spektroskopi i det ultraviolette spektralområde. Denne banebrydende præstation åbner op for nye muligheder for at udføre eksperimenter under svagt lys, hvilket baner vejen for nye anvendelser inden for forskellige videnskabelige og teknologiske områder.

Dual-comb spektroskopi, en kraftfuld teknik til præcis spektroskopi over brede spektrale båndbredder, er hovedsageligt blevet brugt til infrarød lineær absorption af små molekyler i gasfasen. Den er afhængig af måling af den tidsafhængige interferens mellem to frekvenskamme med lidt forskellige gentagelsesfrekvenser.

En frekvenskam er et spektrum af jævnt fordelte, fasekohærente laserlinjer, der fungerer som en lineal til at måle lysets frekvens med ekstrem præcision. Dual-comb-teknikken lider ikke af de geometriske begrænsninger, der er forbundet med traditionelle spektrometre og tilbyder et stort potentiale for høj præcision og nøjagtighed.

Dobbeltkam-spektroskopi er nu tilgængelig til lave lysintensiteter

Dual-comb spektroskopi kræver dog typisk intense laserstråler, hvilket gør den mindre velegnet til scenarier, hvor lave lysniveauer er kritiske. MPQ-teamet har nu eksperimentelt demonstreret, at dobbeltkam-spektroskopi effektivt kan anvendes under udsultede lysforhold ved strømniveauer, der er mere end en million gange svagere end dem, der typisk anvendes.

Dette gennembrud blev opnået ved hjælp af to forskellige eksperimentelle opsætninger med forskellige typer af frekvens-kam generatorer. Holdet udviklede et interferometer på fotonniveau, der nøjagtigt registrerer statistikken for fotontælling, og viser et signal-til-støj-forhold ved den grundlæggende grænse. Denne præstation fremhæver den optimale brug af tilgængeligt lys til eksperimenter og åbner muligheden for dobbeltkamspektroskopi i udfordrende scenarier, hvor lave lysniveauer er afgørende.

MPQ-forskerne behandlede de udfordringer, der er forbundet med at generere ultraviolette frekvenskamme og bygge dual-comb interferometre med lange kohærenstider, hvilket banede vejen for fremskridt i dette eftertragtede mål. De kontrollerede udsøgt den gensidige sammenhæng mellem to kamlasere med én femtowatt pr. kamlinje, hvilket demonstrerede en optimal opbygning af tællestatistikken for deres interferenssignal over tider, der oversteg en time.

"Vores innovative tilgang til interferometri med lavt lys overvinder de udfordringer, som den lave effektivitet af ikke-lineær frekvenskonvertering udgør, og lægger et solidt grundlag for at udvide dobbeltkamspektroskopi til endnu kortere bølgelængder," kommenterer Bingxin Xu, den post-doktorale videnskabsmand, der ledede eksperimenterne.

Faktisk er en spændende fremtidig anvendelse udviklingen af ​​dobbeltkamspektroskopi ved korte bølgelængder for at muliggøre præcis vakuum- og ekstrem-ultraviolet molekylær spektroskopi over brede spektrale spænd. I øjeblikket er bredbånds-ekstrem-UV-spektroskopi begrænset i opløsning og nøjagtighed og er afhængig af unik instrumentering på specialiserede faciliteter.

"Ultraviolet dual-kam spektroskopi er, selv om det er et udfordrende mål, nu blevet et realistisk mål som et resultat af vores forskning. Det er vigtigt, at vores resultater udvider de fulde muligheder for dual-comb spektroskopi til forhold med svagt lys, hvilket åbner op for nye applikationer inden for præcisionsspektroskopi , biomedicinsk sansning og miljømæssig atmosfærisk lyd," slutter Nathalie Picqué.

Resultaterne er publiceret i tidsskriftet Nature .

Flere oplysninger: Bingxin Xu et al., Nær-ultraviolet foton-tællende dobbeltkamspektroskopi, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07094-9

Journaloplysninger: Natur

Leveret af Max Planck Society