Onderzoekers van Tampere University en hun medewerkers hebben laten zien hoe spectroscopische metingen veel sneller kunnen worden gedaan. Door polarisatie te correleren met de kleur van een gepulseerde laser, het team kan veranderingen in het lichtspectrum volgen door eenvoudige en extreem snelle polarisatiemetingen. De methode opent nieuwe mogelijkheden om spectrale veranderingen te meten op een nanoseconde tijdschaal over het gehele kleurenspectrum van licht.

Bij spectroscopie, vaak de veranderingen van de golflengte, d.w.z. kleur, van een sondelicht worden gemeten na interactie met een monster. Het bestuderen van deze veranderingen is een van de belangrijkste methoden om een ​​dieper inzicht te krijgen in de eigenschappen van materialen tot op atomair niveau. De toepassingen variëren van astronomische waarnemingen en materiaalstudies, tot fundamenteel onderzoek van atomen en moleculen.

Het onderzoeksteam heeft een nieuwe spectroscopische methode gedemonstreerd die het potentieel heeft om metingen te versnellen tot uitleessnelheden die onmogelijk zijn met conventionele schema's. De resultaten zijn nu gepubliceerd in het prestigieuze tijdschrift optiek .

Spectroscopische metingen zijn meestal gebaseerd op het scheiden van de verschillende kleurcomponenten op verschillende posities, waar het spectrum vervolgens kan worden uitgelezen door een detectorarray vergelijkbaar met een camerachip. Hoewel deze benadering een directe inspectie van het spectrum mogelijk maakt, het is nogal traag vanwege de beperkte snelheid van de grote uitleesreeks. De nieuwe methode die de onderzoekers implementeerden, omzeilt deze beperking door een complexere toestand van laserlicht te genereren en daardoor een sneller meetschema mogelijk te maken.

"Ons werk toont een eenvoudige manier om verschillende polarisaties te hebben voor alle kleurcomponenten van de laser. Door dit licht als een sonde te gebruiken, we kunnen eenvoudig de polarisatie meten om informatie te krijgen over veranderingen in het kleurenspectrum, " legt doctoraatsonderzoeker Lea Kopf uit, hoofdauteur van de studie.

De truc die de onderzoekers gebruiken, is om een ​​modulatie in het temporele domein uit te voeren door een femto-seconde puls van een laser coherent in twee delen te splitsen - elk met een verschillende polarisatie die enigszins vertraagd is in de tijd ten opzichte van elkaar.

"Zo'n modulatie kan eenvoudig worden gedaan met behulp van een dubbelbrekingskristal, waar verschillend gepolariseerd licht zich met verschillende snelheden voortplant. Dit leidt tot de spectraal veranderende polarisatie die nodig is voor onze methode, " beschrijft universitair hoofddocent Robert Fickler, die de Experimentele Quantum Optics-groep leidt waarin het experiment werd uitgevoerd.

Spectroscopische metingen met hoge snelheid

De onderzoekers hebben niet alleen aangetoond hoe dergelijke complexe lichttoestanden in het laboratorium kunnen worden gegenereerd; ze testten ook hun toepassing bij het reconstrueren van spectrale veranderingen met alleen polarisatieanalyse. Omdat deze laatste slechts tot vier gelijktijdige intensiteitsmetingen vereist, een paar zeer snelle fotodiodes kunnen worden gebruikt.

Met behulp van deze aanpak, de onderzoekers kunnen het effect van smalbandige modulaties van het spectrum bepalen met een precisie die vergelijkbaar is met standaard spectrometers, maar dan met hoge snelheid. "Echter, we konden ons meetschema niet tot het uiterste drijven in termen van mogelijke uitleessnelheden, omdat we door de snelheid van ons modulatieschema beperkt zijn tot een paar miljoen samples per seconde, ’ vervolgt Kopf.

Voortbouwend op deze veelbelovende eerste resultaten, toekomstige taken zullen zijn om het idee toe te passen op meer breedbandlicht, zoals super continuüm lichtbronnen, en om het schema toe te passen in spectroscopische metingen van natuurlijk snel variërende monsters om het volledige potentieel ervan te benutten.

"We zijn blij dat onze fundamentele interesse om licht op verschillende manieren te structureren nu een nieuwe richting heeft gevonden, wat nuttig lijkt te zijn voor spectroscopietaken die meestal niet onze focus zijn. Als een kwantumopticagroep, we zijn al begonnen met het bespreken van hoe we deze ideeën kunnen toepassen en ervan kunnen profiteren in onze kwantumfotonica-experimenten, ", voegt Ficker eraan toe.