激光网3月14日消息，双梳光谱法 - 利用两个频率梳之间的干涉的吸收光谱法 - 已使用单光子在紫外波长下进行。这项工作可能导致在较短的波长下使用该技术，其中高功率梳状激光器不可用。该技术还可以找到新的应用。
自21世纪初发明以来，频率梳已成为光学领域的重要工具。因此，德国马克斯·普朗克量子光学研究所的西奥多·汉施和美国国家标准与技术研究所的约翰·霍尔分享了2005年诺贝尔奖。频率梳由短的周期性光脉冲组成，其中包含非常宽的光谱，其强度峰值以规则的频率间隔 - 类似于梳子的齿。每当需要精确定义频率的光时，例如在原子钟或光谱学中，这种光谱特别有用。
在传统光谱学中，当用另一台激光器探测样品时，频率梳可以用作“光学标尺”。“你有一个连续波 [CW] 激光器与你想要分析的样品相互作用，你想测量这个连续激光器的绝对频率，”马克斯普朗克量子光学研究所的 Nathalie Picqué 解释道。“为此，你用频率梳击败了激光。因此，频率梳使您可以测量任何频率，但在给定时间，您只能测量一个频率。
相比之下，双梳光谱将样品暴露在来自频率梳本身的宽带光下。由于输入是宽带，因此输出也是宽带。然而，通过样品的光与来自第二频梳的光结合，在干涉仪上重复频率略有不同。记录从干涉仪发出的光强度的变化。
如果样品没有与第一个频率梳相互作用，则周期性强度变化仅反映了梳子之间重复频率的差异。但是，如果样品吸收来自梳子的光，则会改变强度调制的形状。吸收的频率可以从这种时间干涉模式的傅里叶变换中恢复。
双梳光谱在红外频率上非常成功。然而，在更高的频率下使用该技术是有问题的。“没有直接在紫外区域发射的超快激光，”Picqué解释说，“所以你需要使用非线性频率转换，你越想进入紫外，你需要的非线性频率转换的阶段就越多。非线性频率上变频效率非常低，因此功率在每级都会下降。
到目前为止，大多数研究人员都专注于增加入射红外激光的功率。“你有一个非常具有挑战性的实验，使用高功率激光器，大量的噪音和非常昂贵的系统，”Picqué说。因此，在这项新研究中，马克斯·普朗克量子光学研究所的Picqué，Hänsch及其同事创建了一个功率低得多的系统。
研究人员对两个红外梳进行了两次上转换，首先是在铌酸锂晶体中，然后是在三硼酸铋中。由此产生的紫外线梳产生的平均光功率最高为50 pW。研究人员将其中一个通过加热的铯气体单元，而另一个则直接发送到干涉仪。干涉仪的一只臂被送到一个单光子计数器。“计数真的很少，”皮克说;“如果你扫描一次，信号看起来什么都不像。然而，他们一遍又一遍地重复完全相同的扫描。“当我们重复扫描100,000次或接近100万次时，我们会得到时域干扰信号，这就是我们正在寻找的信号。
在大约150秒的扫描时间内，研究人员可以解析铯中具有相似频率的两个原子跃迁，信噪比约为200。他们还可以观察到由超精细相互作用引起的一个跃迁的分裂。
“在非常低的光照水平下工作的想法非常违反直觉，”Picqué说。“我们证明，该技术可以与比以前使用的光功率弱一百万倍的光功率一起工作。他们现在希望在真空紫外线中推动更短的波长。Picqué解释说，除了紫外光谱法外，在非常低的功率下利用双梳光谱法的能力在各种其他情况下也很有用，例如样品容易受到辐射损伤的地方。
亚利桑那大学的双梳专家杰森·琼斯对真空紫外线进行了深入的实验，他对马克斯·普朗克的工作充满热情。“无论你进入紫外线多远，由于它产生的方式，你总是会有一些最少量的光，所以如果你能使用更少的光，你总是能够更深，”他说。“能够使用单光子并仍然获得良好的信噪比光谱结果对此具有重要意义。
