Ultraviolette spectroscopie speelt een cruciale rol bij de studie van elektronische overgangen in atomen en rovibronische overgangen in moleculen. Deze onderzoeken zijn essentieel voor tests van de fundamentele natuurkunde, de kwantum-elektrodynamica-theorie, de bepaling van fundamentele constanten, precisiemetingen, optische klokken, hoge-resolutiespectroscopie ter ondersteuning van de atmosferische chemie en astrofysica, en de fysica van sterke velden.

Wetenschappers in de groep van Nathalie Picqué van het Max-Planck Instituut voor Quantum Optics hebben nu een aanzienlijke sprong gemaakt op het gebied van ultraviolette spectroscopie door met succes hoge-resolutie lineaire absorptie dual-comb spectroscopie in het ultraviolette spectrale bereik te implementeren. Deze baanbrekende prestatie opent nieuwe mogelijkheden voor het uitvoeren van experimenten onder omstandigheden met weinig licht, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor nieuwe toepassingen op verschillende wetenschappelijke en technologische gebieden.

Dual-comb spectroscopie, een krachtige techniek voor nauwkeurige spectroscopie over brede spectrale bandbreedtes, is voornamelijk gebruikt voor lineaire infraroodabsorptie van kleine moleculen in de gasfase. Het berust op het meten van de tijdsafhankelijke interferentie tussen twee frequentiekammen met enigszins verschillende herhalingsfrequenties.

Een frequentiekam is een spectrum van gelijkmatig verdeelde, fase-coherente laserlijnen die als een liniaal fungeren om de frequentie van licht met extreme precisie te meten. De dual-comb-techniek heeft geen last van de geometrische beperkingen die gepaard gaan met traditionele spectrometers en biedt grote mogelijkheden voor hoge precisie en nauwkeurigheid.

Dual-comb spectroscopie is nu beschikbaar voor lage lichtintensiteiten

Dual-comb-spectroscopie vereist echter doorgaans intense laserstralen, waardoor deze minder geschikt is voor scenario's waarin lage lichtniveaus van cruciaal belang zijn. Het MPQ-team heeft nu experimenteel aangetoond dat dual-comb spectroscopie effectief kan worden toegepast in omstandigheden met weinig licht, op vermogensniveaus die meer dan een miljoen keer zwakker zijn dan normaal gesproken wordt gebruikt.

Deze doorbraak werd bereikt met behulp van twee verschillende experimentele opstellingen met verschillende typen frequentiekamgeneratoren. Het team ontwikkelde een interferometer op fotonniveau die nauwkeurig de statistieken van het tellen van fotonen registreert, waarbij een signaal-ruisverhouding op de fundamentele limiet wordt weergegeven. Deze prestatie benadrukt het optimale gebruik van het beschikbare licht voor experimenten en opent het perspectief van dual-comb spectroscopie in uitdagende scenario's waarin lage lichtniveaus essentieel zijn.

De MPQ-onderzoekers gingen de uitdagingen aan die gepaard gaan met het genereren van ultraviolette frequentiekammen en het bouwen van interferometers met dubbele kammen met lange coherentietijden, waardoor de weg werd vrijgemaakt voor vooruitgang in dit felbegeerde doel. Ze controleerden op voortreffelijke wijze de onderlinge coherentie van twee kamlasers met één femtowatt per kamlijn, wat een optimale opbouw van de telstatistieken van hun interferentiesignaal aantoonde over tijden van meer dan een uur.

"Onze innovatieve benadering van interferometrie bij weinig licht overwint de uitdagingen die worden veroorzaakt door de lage efficiëntie van niet-lineaire frequentieconversie, en legt een solide basis voor het uitbreiden van dual-comb spectroscopie naar nog kortere golflengten", zegt Bingxin Xu, de postdoctorale wetenschapper die leiding gaf aan de experimenten.

Een opwindende toekomstige toepassing is inderdaad de ontwikkeling van dual-comb-spectroscopie bij korte golflengten om nauwkeurige vacuüm- en extreem-ultraviolette moleculaire spectroscopie over brede spectrale overspanningen mogelijk te maken. Momenteel is breedband extreme-UV-spectroscopie beperkt wat betreft resolutie en nauwkeurigheid en is deze afhankelijk van unieke instrumenten in gespecialiseerde faciliteiten.

"Ultraviolette dual-comb spectroscopie, hoewel een uitdagend doel, is nu realistisch geworden als resultaat van ons onderzoek. Belangrijk is dat onze resultaten de volledige mogelijkheden van dual-comb spectroscopie uitbreiden naar omstandigheden met weinig licht, waardoor nieuwe toepassingen in precisiespectroscopie worden ontsloten , biomedische detectie en atmosferische omgevingsgeluiden", besluit Nathalie Picqué.

De bevindingen worden gepubliceerd in het tijdschrift Nature .

Meer informatie: Bingxin Xu et al., Bijna-ultraviolette fotonentelling met dubbele kamspectroscopie, Natuur (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07094-9

Journaalinformatie: Natuur

Aangeboden door Max Planck Society