Gassen in de omgeving kunnen snel en nauwkeurig spectroscopisch worden opgespoord met behulp van zogenaamde dubbele frequentiekammen. Onderzoekers van ETH hebben nu een methode ontwikkeld waarmee dergelijke frequentiekammen veel eenvoudiger en goedkoper kunnen worden gemaakt dan voorheen.

In tegenstelling tot het licht van een eenvoudige lamp, laserlicht heeft een zeer nauwkeurig gedefinieerde frequentie. Dit maakt het bij uitstek geschikt voor spectroscopisch onderzoek, waarin de eigenschappen van stoffen worden bepaald aan de hand van de frequenties waarmee ze licht absorberen. Een volledige spectroscopische analyse vereist meestal een beetje geduld, omdat de frequentie van de laser geleidelijk moet worden gewijzigd ("gescand") om een ​​volledig spectrogram te verkrijgen. Een groep natuurkundigen van de ETH in Zürich onder leiding van Ursula Keller van het Institute for Quantum Electronics heeft nu een baanbrekende methode gedemonstreerd die in de toekomst zou kunnen leiden tot eenvoudiger en sneller spectroscopisch onderzoek. Met dat doel, ze ontwikkelden een nieuwe techniek voor het maken van zogenaamde dubbele frequentiekammen. De resultaten zijn nu gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Wetenschap .

Een liniaal gemaakt van licht

Terwijl een normale laser licht op één frequentie uitzendt, een frequentiekam heeft een groot aantal frequenties op een constante afstand van elkaar - net als de markeringen op een liniaal. Dit wordt mogelijk gemaakt door het gebruik van lasers die extreem korte periodieke lichtpulsen creëren. Dergelijke pulstreinen hebben een kamachtig frequentiespectrum, die verder kan worden verbreed met bepaalde optische materialen. In 2005 werd de Nobelprijs toegekend voor op laser gebaseerde precisiespectroscopie, inclusief de optische frequentiekamtechniek, waarvoor Ursula Keller in samenwerking met Harald Telle van PTB Braunschweig de sleuteltechnologie uitvond voor de stabilisatie van de kam in 1999.

Met zo'n frequentiekam zou men in principe een stof met veel frequenties tegelijk kunnen aftasten. Bij gewone spectroscopie wordt een deel van het laserlicht door het te onderzoeken materiaal gestuurd, en het andere deel wordt gebruikt als referentie. De frequentie van de laser wordt nu gestaag gescand, en tegelijkertijd wordt de absorptie van het laserlicht door de stof gemeten ten opzichte van de referentiebundel met behulp van twee fotodetectoren. Uit deze frequentiescan wordt het karakteristieke spectrogram van de stof verkregen. Helaas, deze procedure kan niet zonder meer worden toegepast op een frequentiekam. De verschillende frequenties die tegelijkertijd in de kam zitten, zouden zeker anders worden geabsorbeerd. De fotodetector, echter, zou ze niet uit elkaar kunnen houden. Om dit te doen, het zou het individu rechtstreeks moeten registreren, gesuperponeerde oscillaties van het licht, die, echter, is in de praktijk onmogelijk vanwege hun hoge frequentie van enkele honderden Terahertz (duizend miljard trillingen per seconde).

De truc van de pianostemmer

De door Keller en haar collega's ontwikkelde techniek "vertaalt" deze snelle en niet direct meetbare oscillaties in veel langzamere oscillaties die gemakkelijk kunnen worden gedetecteerd met conventionele elektronica. Deze procedure is gebaseerd op een truc die in een vergelijkbare vorm door pianostemmers wordt gebruikt. Om een ​​gelijke afstemming van de verschillende akkoorden van dezelfde toon te verkrijgen, gebruikt een pianostemmer de beat die wordt geproduceerd door de superpositie van twee verschillende frequenties. De beat pulseert met een snelheid die overeenkomt met het verschil van de twee gesuperponeerde frequenties.

De onderzoekers van ETH gebruiken een zeer vergelijkbare methode waarbij ze een tweede frequentiekam maken, waarvan de frequenties een iets andere tussenruimte hebben dan die van de eerste. Dit creëert paren van frequenties, die elk resulteren in een iets andere beatfrequentie. Deze slagfrequenties vallen nu in het Megahertz-regime en kunnen eenvoudig worden gemeten met behulp van fotodetectoren.

Twee frequentiekammen voor de prijs van één

Dit soort dual-kam spectroscopie bestaat al een paar jaar, maar de techniek die nu bij ETH is ontwikkeld, maakt het aanzienlijk eenvoudiger en goedkoper, als Sandro Link, PhD-student en eerste auteur van het artikel, legt uit:"De echte nieuwigheid is dat we de twee frequentiekammen maken met slechts één laser in plaats van twee, die nauwgezet moeten worden gestabiliseerd ten opzichte van elkaar." De truc die ze gebruiken bestaat uit een dubbelbrekend kristal dat in een laser wordt ingebracht, waardoor het licht enigszins verschillende afstanden aflegt, afhankelijk van de polarisatie (d.w.z. de richting van de oscillatie van de elektromagnetische golf). Als gevolg hiervan, de twee aldus geproduceerde laserstralen hebben enigszins verschillende pulsperiodes, wat op zijn beurt leidt tot frequentiekammen met verschillende frequentie-afstanden. Omdat de twee frequentiekammen door dezelfde laser worden gemaakt, ze tegen elkaar stabiliseren wordt overbodig.

Een aantal mogelijke toepassingen van de nieuwe technologie dienen zich aan. Omdat je hiermee in minder dan een duizendste van een seconde een compleet spectrogram kunt maken, het is bij uitstek geschikt voor het meten van de concentratie van stoffen in het milieu of in de uitlaten van fabrieken. Snelstromende gassen in petrochemische omgevingen kunnen ook snel worden geanalyseerd, bijvoorbeeld om productieprocessen te bewaken en te sturen.