Onze ogen zijn slechts gevoelig voor drie spectrale kleurbanden (rood, groente, blauw), en mensen kunnen geen kleuren meer onderscheiden als het erg donker wordt. Spectroscopistes kunnen veel meer kleuren herkennen aan de frequenties van de lichtgolven en kunnen atomen en moleculen onderscheiden aan de hand van hun spectrale vingerafdrukken. In een proof-of-principle-experiment, Nathalie Picqué en Theodor Hänsch van het Max-Planck Institute of Quantum Optics (MPQ) en de Ludwig-Maximilian University (LMU) hebben nu brede spectra opgenomen met bijna 100, 000 kleuren in bijna volledige duisternis. Het experiment maakt gebruik van twee mode-vergrendelde femtoseconde lasers en een enkele foton-tellende detector. De resultaten zijn zojuist gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences .

Een femtoseconde laser met modusvergrendeling zendt honderdduizenden scherpe spectraallijnen uit die gelijkmatig in frequentie zijn verdeeld. Dergelijke laserfrequentiekammen worden nu veel gebruikt om de oscillaties van een lasergolf te tellen en ze dienen als uurwerken in optische atoomklokken. De frequentiekamtechniek werd benadrukt toen in 2005 de Nobelprijs voor Natuurkunde werd toegekend aan Theodor Hänsch en John L. Hall.

Gedurende de afgelopen 15 jaar, Nathalie Picqué van de MPQ heeft frequentiekammen gebruikt voor nieuwe benaderingen van optische breedbandspectroscopie. In haar techniek van dual-kam spectroscopie, alle kamlijnen van één laser ondervragen gelijktijdig een monster over een breed spectraal bereik, en de kamlijnen van een tweede laser met een iets andere tussenruimte interfereren op een snelle fotodetector voor uitlezing. Paren kamlijnen, één van elke laser, produceren radiofrequentie beat noten in het detectorsignaal. Deze radiofrequente signalen kunnen door een computer worden gedigitaliseerd en verwerkt. Elke optische spectrale structuur in het monster verschijnt opnieuw als een overeenkomstig patroon in de kam van radiofrequentiesignalen. Optische signalen worden effectief vertraagd met een grote factor gelijk aan de laserherhalingsfrequentie gedeeld door het verschil in herhalingsfrequenties. De unieke voordelen van dit krachtige spectroscopische hulpmiddel zijn onder meer een vrijwel onbeperkte spectrale resolutie, mogelijke kalibratie met een atoomklok, en zeer consistente verwerving van complexe spectra zonder de noodzaak van scannen of mechanisch bewegende delen.

Picqué en Hänsch hebben nu aangetoond dat dual-kam spectroscopie kan worden uitgebreid tot extreem lage lichtintensiteiten in het fotonentelregime. De interferentiesignalen kunnen worden waargenomen in de statistieken van de klikken van de fotonenteldetector, zelfs als het vermogen zo laag is dat er slechts één klik wordt geregistreerd in de tijd van 2000 laserpulsen, gemiddeld. Onder dergelijke omstandigheden, het is uiterst onwaarschijnlijk dat twee fotonen, één van elke laser, tegelijkertijd in het detectiepad aanwezig zijn. Het experiment kan niet intuïtief worden verklaard als men ervan uitgaat dat een foton vóór detectie bestaat.

Het vermogen om te werken met lichtintensiteiten die een miljard keer lager zijn dan gewoonlijk wordt gebruikt, opent intrigerende nieuwe perspectieven voor dual-kam spectroscopie. Nathalie Picque zegt, "De methode kan nu worden uitgebreid tot spectrale regio's waar hoogstens zwakke frequentiekambronnen beschikbaar zijn, zoals het extreem ultraviolette of zachte röntgengebied. Spectroscopische signalen kunnen worden verkregen door sterk verzwakkende materialen of door terugverstrooiing over grote afstanden. En het wordt mogelijk om dubbele kamspectra te extraheren van nanoscopische monsters tot enkele atomen of moleculen, die slechts zwakke fluorescentiesignalen produceren."

Theodor Hänsch herinnert zich het moment in het laboratorium waarop een interferentiepatroon voor het eerst opdook in de statistieken van detectorklikken:"Ik voelde me opgewonden. Zelfs na meer dan 50 jaar in laserspectroscopie te hebben gewerkt, het leek me nogal contra-intuïtief dat enkelvoudig gedetecteerde fotonen 'bewust' konden zijn van de twee lasers met hun grote aantal kamlijnen en van het complexe spectrum van een monster."