Разрабатывается мощный метод спектроскопии на фотонном уровне с двумя гребенками
Спектроскопия с двумя гребнями стала мощным методом спектроскопии с преобразованием Фурье без движущихся частей. Этот метод является мультиплексным, систематические эффекты сводятся к минимуму, и может быть достигнута большая согласованность спектров. Ученым удалось показать, что спектроскопия с двумя гребенками может быть реализована с помощью приборов для подсчета фотонов и работать на уровнях мощности в миллиард раз слабее, чем обычно используемые.
Для этого ученые исследовали сложные оптические спектры с высоким разрешением в широком диапазоне в почти полной темноте. Используя детектор с одним подсчетом фотонов, они наблюдали помехи в статистике подсчета с помощью двух отдельных фемтосекундных лазеров с блокировкой режима с немного разными частотами повторения, каждый из которых излучает гребенку равномерно расположенных спектральных линий в широком диапазоне спектра.
В процессе исследований были успешно использованы различные лазерные источники, в том числе волоконные лазеры с дополнительным нелинейным преобразованием частоты, полупроводниковые лазеры, электрооптические модуляторы или микрорезонаторы Керра-гребня. Образцы были исследованы с помощью процедур поглощения, дисперсии, флуоресценции или поляризации.
По сравнению с современными широкополосными спектрометрами интерферометры с двумя гребенками демонстрируют два ключевых преимущества для спектральных измерений. Во-первых, частотная шкала спектров может быть откалибрована с точностью до атомных часов. Во-вторых, инструментальная форма линии может оставаться незначительной для переходов, расширенных доплеровскими или столкновительными эффектами в газофазных видах.
Принцип работы спектрометра с двумя гребенками легко описывается в терминах классических электромагнитных волн. Каждый лазер излучает большое количество точно равномерно расположенных спектральных гребенчатых линий. Пары линий гребенки, по одной от каждого лазерного источника, интерферируют на быстром фотоприемнике, так что гребенка радиочастотных нот появляется в сигнале детектора, где она доступна для цифровой обработки сигнала. Любая оптическая спектральная структура, введенная образцом, преобразуется в соответствующую структуру в радиочастотном спектре. Частоты оптического резонанса в образце эффективно замедляются большим коэффициентом, равным частоте повторения, деленной на разницу в частотах повторения.
Ученые продемонстрировали спектроскопию с двойной гребенкой при таких низких уровнях освещенности, что в среднем за время 1000 лазерных импульсов регистрируется только 1 щелчок для подсчета фотонов. Статистика обнаруженных фотонов содержит информацию о двух фемтосекундных лазерах с их сотнями тысяч гребенчатых линий и об образце с его, возможно, очень сложным оптическим спектром.
Таким образом, спектроскопия с двумя гребенками может быть расширена до нелогичных ситуаций, когда из источников или образца доступны только очень низкие скорости подсчета фотонов, открывая новую область для точной широкополосной мультиплексированной спектроскопии. Естественно, такие сценарии предполагают длительное время наблюдения.
