Spectroscopie vindt zijn oorsprong in de vroege 19e-eeuwse nieuwsgierigheid naar interacties tussen materie en elektromagnetische straling. Dankzij de vooruitgang in de elektronica en materiaalwetenschap, verschillende spectroscopietechnieken worden nu routinematig gebruikt om de samenstelling van materialen en de aard van hun chemische bindingen te bestuderen door te analyseren hoe ze elektromagnetische golven absorberen of reflecteren.

Verschillende materialen hebben verschillende absorptieprofielen over een breed frequentiebereik. Enkele belangrijke kenmerken in bepaalde moleculaire systemen, zoals de waterstofbruggen in waterige systemen of de zelfassemblage van eiwitten, kunnen alleen worden gewaardeerd in hun absorptieprofielen bij frequenties in de orde van terahertz (THz, 1000 miljard Hertz), een nabij-infrarood bereik. Wetenschappers hebben actief spectroscopietechnieken ontwikkeld die compatibel zijn met zulke hoge frequenties, en een veelbelovende heet THz dual-comb spectroscopie.

Hoewel deze methode veel voordelen biedt ten opzichte van andere in het terahertz-bereik, het gebruik ervan is beperkt vanwege de hoge complexiteit van het meetsysteem, die typisch twee onafhankelijke stabiele lasers vereist als stralingsbronnen. Nutsvoorzieningen, onderzoekers van de Universiteit van Tokushima, Japan, Beihang-universiteit, China, en Université du Littoral Côte d'Opale, Frankrijk, hebben een nieuw schema gerapporteerd voor THz dual-comb spectroscopie waarvoor slechts een enkele laserbron nodig is en toch een uitzonderlijke resolutie biedt.

Om de belangrijkste aspecten van hun methode te begrijpen, het helpt om de basisprincipes van THz dual-comb spectroscopie te begrijpen. De term "dubbelkam" verwijst naar het feit dat de laserpulsen, wanneer uitgezet tegen frequentie, eruit zien als een reeks gelijk verdeelde pieken (spectraallijnen) over een breed frequentiebereik in het terahertz-gebied, en vandaar een "kam". Bij dual-kam spectroscopie, twee lasers met enigszins verschillende "kammen" worden gebruikt om het absorptieprofiel van een monster te meten. Vanwege de aard van het systeem, het signaal dat daadwerkelijk wordt gemeten, die het resultaat is van het "vermengen" van de twee kammen, beslaat een veel lager frequentiebereik, maar weerspiegelt nog steeds alle hoogfrequente informatie die van belang is. Het gebruik van twee lasers, echter, kan leiden tot een probleem met de stabilisatieregeling.

Om het stabilisatieprobleem aan te pakken, de onderzoekers gebruikten een enkele laser om de twee kammen te produceren. Echter, wanneer beide kammen worden geproduceerd door dezelfde laserbron, een "jitter" of timinginstabiliteit vervaagt de hoogfrequente informatie die wordt weerspiegeld in het uiteindelijke laagfrequente signaal dat wordt gemeten. Ze corrigeerden dit ongewenste fenomeen met behulp van een techniek genaamd adaptieve bemonstering , waarmee het digitaal te verwerven signaal niet op gelijke tijdsperioden wordt bemonsterd, maar op specifieke tijdstippen die zijn berekend om eventuele afwijkingen of fouten in de relatieve timing tussen kammen te minimaliseren.

Om hun werkwijze te demonstreren, de onderzoekers deden metingen aan een mengsel van lucht en de verbinding acetonitril. Dit speciale gas vertoont karakteristieke eigenschappen wanneer het wordt bestraald met terahertzstraling en, het belangrijkste, deze kenmerken variëren enigszins met de druk. Omdat deze variaties erg klein zijn, eerdere benaderingen met dubbele kamspectroscopie met behulp van een enkele laser konden ze niet detecteren vanwege hun beperkte resolutie. In tegenstelling tot, de onderzoekers zouden het in dit onderzoek voorgestelde schema kunnen gebruiken om veel van deze kenmerken nauwkeurig te observeren. Ze rapporteren een opmerkelijk smalle absorptielijnbreedte (25 MHz) - de eerste die werd bereikt met een dual-kam fiberlaser.

De onderzoekers werken al aan nog een andere complementaire techniek die de resolutie van THz dual-comb spectroscopie met een enkele laser nog verder zou kunnen verhogen. De vermindering van de systeemcomplexiteit als gevolg van hun gebruik van de adaptieve bemonsteringstechniek zou de toepassingsgebieden van nauwkeurige THz-spectroscopie kunnen verbreden, wetenschappers een krachtig maar eenvoudig hulpmiddel bieden om de materiële wereld verder te verkennen.