Die Ultraviolettspektroskopie spielt eine entscheidende Rolle bei der Untersuchung elektronischer Übergänge in Atomen und rovibronischer Übergänge in Molekülen. Diese Studien sind für Tests der Grundlagenphysik, der Theorie der Quantenelektrodynamik, der Bestimmung fundamentaler Konstanten, Präzisionsmessungen, optischer Uhren, hochauflösender Spektroskopie zur Unterstützung der Atmosphärenchemie und Astrophysik sowie der Starkfeldphysik von wesentlicher Bedeutung.
Wissenschaftlern in der Gruppe von Nathalie Picqué am Max-Planck-Institut für Quantenoptik ist nun ein bedeutender Sprung auf dem Gebiet der Ultraviolettspektroskopie gelungen, indem sie die hochauflösende lineare Absorptions-Doppelkammspektroskopie erfolgreich im ultravioletten Spektralbereich implementiert haben. Diese bahnbrechende Leistung eröffnet neue Möglichkeiten für die Durchführung von Experimenten unter schlechten Lichtverhältnissen und ebnet den Weg für neuartige Anwendungen in verschiedenen wissenschaftlichen und technologischen Bereichen.
Die Doppelkammspektroskopie, eine leistungsstarke Technik zur präzisen Spektroskopie über große spektrale Bandbreiten, wird hauptsächlich für die lineare Infrarotabsorption kleiner Moleküle in der Gasphase eingesetzt. Dabei wird die zeitabhängige Interferenz zwischen zwei Frequenzkämmen mit leicht unterschiedlichen Wiederholungsfrequenzen gemessen.
Ein Frequenzkamm ist ein Spektrum gleichmäßig verteilter, phasenkohärenter Laserlinien, das wie ein Lineal fungiert und die Lichtfrequenz mit äußerster Präzision misst. Die Doppelkammtechnik unterliegt nicht den geometrischen Einschränkungen herkömmlicher Spektrometer und bietet ein großes Potenzial für hohe Präzision und Genauigkeit.
Für niedrige Lichtintensitäten ist jetzt die Doppelkammspektroskopie verfügbar
Allerdings erfordert die Doppelkammspektroskopie typischerweise intensive Laserstrahlen, weshalb sie für Szenarien, in denen niedrige Lichtverhältnisse kritisch sind, weniger geeignet ist. Das MPQ-Team hat nun experimentell gezeigt, dass die Doppelkammspektroskopie unter Lichtmangelbedingungen mit mehr als einer Million Mal schwächeren Leistungsniveaus als den üblicherweise verwendeten effektiv eingesetzt werden kann.
Dieser Durchbruch wurde mithilfe zweier unterschiedlicher Versuchsaufbauten mit unterschiedlichen Arten von Frequenzkammgeneratoren erreicht. Das Team entwickelte ein Interferometer auf Photonenebene, das die Statistiken der Photonenzählung genau aufzeichnet und ein Signal-Rausch-Verhältnis an der fundamentalen Grenze anzeigt. Dieser Erfolg unterstreicht die optimale Nutzung des verfügbaren Lichts für Experimente und eröffnet die Aussicht auf die Doppelkammspektroskopie in anspruchsvollen Szenarien, in denen niedrige Lichtverhältnisse unerlässlich sind.
Die MPQ-Forscher befassten sich mit den Herausforderungen, die mit der Erzeugung von Ultraviolett-Frequenzkämmen und dem Bau von Doppelkamm-Interferometern mit langen Kohärenzzeiten verbunden sind, und ebneten so den Weg für Fortschritte bei diesem begehrten Ziel. Sie kontrollierten die gegenseitige Kohärenz zweier Kammlaser mit einem Femtowatt pro Kammlinie hervorragend und zeigten einen optimalen Aufbau der Zählstatistik ihres Interferenzsignals über Zeiträume von mehr als einer Stunde.
„Unser innovativer Ansatz zur Low-Light-Interferometrie überwindet die Herausforderungen, die sich aus der geringen Effizienz der nichtlinearen Frequenzumwandlung ergeben, und legt eine solide Grundlage für die Ausweitung der Doppelkammspektroskopie auf noch kürzere Wellenlängen“, kommentiert Bingxin Xu, der leitende Postdoktorand die Experimente.
Tatsächlich ist die Entwicklung der Doppelkammspektroskopie bei kurzen Wellenlängen eine spannende zukünftige Anwendung, um eine präzise Vakuum- und Extrem-Ultraviolett-Molekülspektroskopie über große Spektralbereiche zu ermöglichen. Derzeit ist die Breitband-Extrem-UV-Spektroskopie in ihrer Auflösung und Genauigkeit begrenzt und auf einzigartige Instrumente in spezialisierten Einrichtungen angewiesen.
„Obwohl die Ultraviolett-Doppelkammspektroskopie ein anspruchsvolles Ziel ist, ist sie dank unserer Forschung nun zu einem realistischen Ziel geworden. Wichtig ist, dass unsere Ergebnisse die vollen Möglichkeiten der Doppelkammspektroskopie auf Bedingungen mit wenig Licht erweitern und neue Anwendungen in der Präzisionsspektroskopie eröffnen.“ , biomedizinische Sensorik und atmosphärische Umweltmessungen“, schließt Nathalie Picqué.
Die Ergebnisse sind veröffentlicht im Tagebuch Natur.
Mehr Informationen:
Bingxin Xu et al., Nahultraviolette Photonenzählungs-Doppelkammspektroskopie, Natur (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07094-9