Nowe szerokopasmowe grzebienie częstotliwości UV oferują niespotykaną dotąd rozdzielczość widmową

Naukowcy opracowali nową ultraszybką platformę laserową, która generuje grzebienie ultraszerokopasmowego ultrafioletu (UV) z niespotykaną dotąd liczbą miliona linii grzebieniowych, zapewniając wyjątkową rozdzielczość widmową. Nowe podejście, które zapewnia również niezwykle dokładne i stabilne częstotliwości, może ulepszyć spektroskopię atomową i molekularną o wysokiej rozdzielczości.

Optyczne grzebienie częstotliwości, które emitują tysiące regularnie rozmieszczonych linii widmowych, zmieniły dziedziny takie jak metrologia, spektroskopia i precyzyjne mierzenie czasu za pomocą optycznych zegarów atomowych, zdobywając Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 2005 roku.

Początkowe grzebienie częstotliwości działały w zakresie widzialnym do bliskiej podczerwieni. Wkrótce po ich wprowadzeniu zakres widmowy rozszerzono na obszar UV poprzez generację harmonii optycznej, odblokowując nową domenę widmową dla precyzyjnej spektroskopii laserowej.

„Niemniej jednak osiągnięcie zarówno zasięgu łączy szerokopasmowych, jak i wysokiej rozdzielczości widmowej w zakresie UV pozostaje poważnym wyzwaniem” – powiedział kierownik zespołu badawczego Konstantin Vodopyanov z CREOL, The College of Optics & Photonics na Uniwersytecie Centralnej Florydy.

W Optykanaukowcy opisują swój system spektroskopii o wysokiej rozdzielczości z podwójnym grzebieniem, który generuje światło w dwóch ultraszerokich obszarach widma UV. Przy odstępie między liniami wynoszącym zaledwie 80 MHz grzebienie częstotliwości wykazują zdolność rozdzielczą sięgającą 10 milionów.

„Szerokopasmowa spektroskopia UV o wysokiej rozdzielczości zapewnia unikalny wgląd w przejścia elektronowe w atomach i cząsteczkach, dzięki czemu jest nieoceniona w zastosowaniach takich jak analiza chemiczna, fotochemia, wykrywanie gazów śladowych w atmosferze i eksploracja egzoplanet, gdzie niezbędne jest jednoczesne wykrywanie wielu cech absorpcyjnych, – powiedział Wodopianow.

Spektroskopia dwugrzebieniowa

Aby wykorzystać grzebienie częstotliwości UV zawierające milion blisko rozmieszczonych linii widmowych do zastosowań spektroskopowych, badacze potrzebowali metody umożliwiającej osiągnięcie wysokiej rozdzielczości widmowej wykraczającej poza możliwości istniejących spektrometrów.

Zwrócili się w stronę spektroskopii dwugrzebieniowej – nowej, potężnej techniki, która łączy w jednym detektorze dwa grzebienie częstotliwości z nieco różnymi odstępami między liniami, tworząc interferogramy. Stosując transformatę Fouriera, można zrekonstruować całe widmo z wyjątkowo wysoką rozdzielczością widmową i szybką akwizycją danych.

„Chociaż w ciągu ostatniej dekady spektroskopia dwugrzebieniowa poczyniła znaczne postępy w obszarach średniej podczerwieni i terahercowych, zauważalna luka pozostaje w zakresie widma UV, gdzie istniejące demonstracje nie są wystarczające pod względem rozdzielczości, szerokości pasma lub obu” powiedział Wodopianow.

Aby sprostać temu wyzwaniu, naukowcy opracowali platformę laserową, która generuje wysoce spójne, ultraszybkie impulsy w podczerwieni o długości fali 2,4 µm.

Używając nieliniowego kryształu, wygenerowali 6. i 7. harmoniczną, w wyniku czego powstały dwa pasma UV: szósta harmoniczna obejmująca około 1 000 000 widmowo rozdzielonych linii grzebieniowych i siódma harmoniczna zawierająca około 550 000. Dało to dwa zakresy widm UV obejmujące 372–410 nm i 325–342 nm.

Aby umożliwić spektroskopię z dwoma grzebieniami, zreplikowali szerokopasmowy system grzebienia częstotliwości UV, co umożliwiło dalsze udoskonalenie struktury grzebienia UV

Precyzyjne linie widmowe

Odnosząc linie widmowe do zegara atomowego, naukowcy zapewnili możliwość wykonywania bardzo precyzyjnych pomiarów spektroskopowych, odpowiednich dla najbardziej wymagających zastosowań.

W ramach demonstracji wykorzystali system spektroskopii z podwójnym grzebieniem do pomiaru wąskiego widma odbicia objętościowego zwierciadła siatki Bragga wykonanego przez IPG/OptiGrate. Nowy system osiągnął zdolność rozdzielczą na poziomie 10 000 000, która zdaniem naukowców jest znacznie lepsza od istniejących spektrometrów siatkowych i Fouriera.

Następnie badacze zamierzają rozszerzyć technologię na jeszcze głębsze obszary UV, potencjalnie do długości fali 100 nm.