ספקטרומטר כפול מסרק לספירת פוטון אולטרה סגול. שתי מסרקות תדר אולטרה סגול עם תדרי חזרת פולסים שונים במקצת נוצרים ברמות אור נמוכות מאוד על ידי המרת תדר לא ליניארית של מסרקות כמעט אינפרא אדום. מסרק אולטרה סגול אחד עובר דרך דגימה. לאחר מכן, שני המסרקים החלשים מונחים על גבי מפצל אלומה ומזוהים על ידי גלאי ספירת פוטון. ברמות הספק חלשות יותר מפי מיליון מהשימוש בדרך כלל, הסטטיסטיקה של הפוטונים שזוהו נושאת את המידע על המדגם עם הספקטרום האופטי המורכב ביותר שלה. קרדיט: TW Hänsch (MPI של Quantum Optics) ו-N. Picqué (MPI של Quantum Optics, מכון מקס בורן).
במחקר שפורסם לאחרונה ב טֶבַעחוקרים ממכון מקס בורן בברלין, גרמניה, וממכון מקס-פלנק לאופטיקה קוונטית ב-Garching, חשפו טכניקה חדשה לפענוח תכונות החומר עם אור, שיכולה לזהות בו זמנית ולכמת במדויק חומרים רבים בעלי כימיקל גבוה. בַּררָנוּת.
הטכניקה שלהם חוקרת את האטומים והמולקולות באזור הספקטרלי האולטרה סגול ברמות אור חלשות מאוד. שימוש בשתי מסרקות תדר אופטיות וא פוטון לעומת זאת, הניסויים פותחים סיכויים מרגשים לעריכת ספקטרוסקופיה כפולה בתנאי תאורה נמוכה והם סוללים את הדרך ליישומים חדשים של אבחון ברמת הפוטון, כגון ספקטרוסקופיה מדויקת של אטומים בודדים או מולקולות לבדיקות יסודיות של פיזיקה ופוטוכימיה אולטרה סגולה. באטמוספירה של כדור הארץ או מטלסקופי חלל.
התקדמות בספקטרוסקופיה אולטרה סגולה
ספקטרוסקופיה אולטרה סגולה ממלאת תפקיד קריטי בחקר מעברים אלקטרוניים באטומים ומעברים רוביברוניים במולקולות. מחקרים אלו חיוניים למבחנים של פיזיקה בסיסית, תורת הקוונטים-אלקטרודינמיקה, קביעת קבועים בסיסיים, מדידות דיוק, שעונים אופטיים, ספקטרוסקופיה ברזולוציה גבוהה לתמיכה בכימיה אטמוספרית ואסטרופיזיקה, ופיזיקה של שדה חזק.
מדענים בקבוצת נטלי פיקה עשו כעת קפיצת מדרגה משמעותית בתחום הספקטרוסקופיה האולטרה סגולה על ידי יישום מוצלח של ספקטרוסקופיה ליניארית בספיגה כפולה בטווח הספקטרלי האולטרה סגול. הישג פורץ דרך זה פותח אפשרויות חדשות לביצוע ניסויים בתנאי תאורה חלשה, וסוללת את הדרך ליישומים חדשים בתחומים מדעיים וטכנולוגיים שונים.
עקרונות ואתגרים של ספקטרוסקופיה כפולה מסרק
ספקטרוסקופיה מסרקת כפולה, טכניקה רבת עוצמה לספקטרוסקופיה מדויקת על רוחבי פס ספקטרליים רחבים, שימשה בעיקר לקליטת אינפרא אדום ליניארית של מולקולות קטנות בשלב הגז. הוא מסתמך על מדידת ההפרעות התלויות בזמן בין שני מסרקות תדרים עם תדרי חזרות מעט שונים. מסרק תדרים הוא ספקטרום של קווי לייזר במרווחים אחידים, קוהרנטיים לשלב, הפועל כמו סרגל למדידת תדר האור בדיוק רב. טכניקת המסרק הכפול אינה סובלת מהמגבלות הגיאומטריות הקשורות בספקטרומטרים מסורתיים, ומציעה פוטנציאל רב לדיוק גבוה דיוק.
עם זאת, ספקטרוסקופיה מסרקת כפולה דורשת בדרך כלל קרני לייזר אינטנסיביות, מה שהופך אותה לפחות מתאימה לתרחישים שבהם רמות אור נמוכות הן קריטיות. הצוות הוכיח כעת בניסוי שניתן להשתמש בספקטרוסקופיה כפולת מסרק ביעילות בתנאי אור מורעבים, ברמות הספק חלשות יותר מפי מיליון מאלו המשמשות בדרך כלל.
פריצת דרך זו הושגה באמצעות שני מערכי ניסוי נפרדים עם סוגים שונים של מחוללי מסרקת תדרים. הצוות פיתח אינטרפרומטר ברמת הפוטון המתעד במדויק את הסטטיסטיקה של ספירת הפוטונים, המציג יחס אות לרעש בגבול היסוד. הישג זה מדגיש את השימוש האופטימלי באור זמין לניסויים, ופותח את הסיכוי של ספקטרוסקופיה מסרק כפול בתרחישים מאתגרים שבהם רמות אור נמוכות חיוניות.
התגברות על אתגרים טכניים ויישומים עתידיים
החוקרים התייחסו לאתגרים הקשורים ביצירת מסרקים בתדר אולטרה סגול ובניית אינטרפרומטרים דו-מסרקים עם זמני קוהרנטיות ארוכים, וסללו את הדרך להתקדמות במטרה נחשקת זו. הם שלטו בצורה מעולה בקוהרנטיות ההדדית של שני לייזרים מסרק עם פמטוואט אחד לכל קו מסרק, והדגימו הצטברות אופטימלית של סטטיסטיקת הספירה של אות ההפרעה שלהם לאורך זמן העולה על שעה אחת. "הגישה החדשנית שלנו לאינטרפרומטריה באור נמוך מתגברת על האתגרים שמציבה היעילות הנמוכה של המרת תדרים לא ליניארית, ומניחה בסיס איתן להרחבת ספקטרוסקופיה כפולת מסרק לאורכי גל קצרים אף יותר", אומר בינגשין שו, המדען הפוסט-דוקטורט שהוביל. הניסויים.
ואכן, יישום עתידי משכנע הוא פיתוח ספקטרוסקופיה כפולת מסרק באורכי גל קצרים, כדי לאפשר ספקטרוסקופיה מולקולרית מדוייקת של ואקום ואולטרה סגול על פני טווחים ספקטרליים רחבים. נכון להיום, ספקטרוסקופיה של UV קיצונית בפס רחב מוגבלת ברזולוציה ובדיוק, ונשענת על מכשור ייחודי במתקנים מיוחדים.
"ספקטרוסקופיה דו-מסרקית אולטרה סגולה, אף על פי שהיא מטרה מאתגרת, הפכה כעת למטרה מציאותית כתוצאה מהמחקר שלנו. חשוב לציין, התוצאות שלנו מרחיבות את היכולות המלאות של ספקטרוסקופיה כפולה לתנאי תאורה חלשה, תוך פתיחת יישומים חדשים בספקטרוסקופיה מדויקת, חישה ביו-רפואית וצליל אטמוספרי סביבתי. בנימה אישית יותר, אבן דרך זו נובעת מניסוי שבוצע במכון מקס-פלנק לאופטיקה קוונטית והושלם בעוד שכבר נכנסתי לתפקידי כמנהל במכון מקס בורן. אני לא יכול לדמיין דרך מרגשת יותר למעבר למכון חדש. MBI יארח כעת את הניסויים המרגשים הבאים שלנו בתחום זה!" מסכמת נטלי פיקה.
הפיתוח של ספקטרוסקופיה מסרקת כפולה בטווח אורכי גל קצרים מבטיח התקדמות במספר תחומים מדעיים וטכנולוגיים, המדגיש את חשיבותו של הישג זה.
