Un spectromètre à double peigne à comptage de photons ultraviolets. Deux peignes de fréquence ultraviolette de fréquences de répétition d'impulsions légèrement différentes sont générés à des niveaux de lumière très faibles par conversion de fréquence non linéaire de peignes proche infrarouge. Un peigne ultraviolet traverse un échantillon. Les deux peignes faibles sont ensuite superposés avec un séparateur de faisceau et détectés par un détecteur à comptage de photons. À des niveaux de puissance plus d’un million de fois plus faibles que ceux habituellement utilisés, les statistiques des photons détectés contiennent des informations sur l’échantillon avec son spectre optique potentiellement très complexe. Crédit : TW Hänsch (MPI d'Optique Quantique) et N. Picqué (MPI d'Optique Quantique, Max Born Institute).
Dans une étude récemment publiée dans Naturedes chercheurs de l'Institut Max Born de Berlin, en Allemagne, et de l'Institut Max-Planck d'optique quantique de Garching ont dévoilé une nouvelle technique permettant de déchiffrer les propriétés de la matière avec la lumière, capable de détecter et de quantifier simultanément avec précision de nombreuses substances à forte concentration chimique. sélectivité.
Leur technique interroge les atomes et les molécules dans la région spectrale ultraviolette à des niveaux de lumière très faibles. En utilisant deux peignes de fréquence optique et un photon contre, les expériences ouvrent des perspectives passionnantes pour la réalisation de spectroscopie à double peigne dans des conditions de faible luminosité et ouvrent la voie à de nouvelles applications de diagnostic au niveau photonique, telles que la spectroscopie de précision d'atomes ou de molécules uniques pour des tests fondamentaux de physique et de photochimie ultraviolette. dans l'atmosphère terrestre ou à partir de télescopes spatiaux.
Progrès de la spectroscopie ultraviolette
La spectroscopie ultraviolette joue un rôle essentiel dans l'étude des transitions électroniques dans les atomes et des transitions rovibroniques dans les molécules. Ces études sont essentielles pour les tests de physique fondamentale, la théorie de l'électrodynamique quantique, la détermination des constantes fondamentales, les mesures de précision, les horloges optiques, la spectroscopie haute résolution à l'appui de la chimie atmosphérique et de l'astrophysique, et la physique des champs forts.
Les scientifiques du groupe de Nathalie Picqué ont fait un grand pas en avant dans le domaine de la spectroscopie ultraviolette en mettant en œuvre avec succès la spectroscopie à double peigne à absorption linéaire haute résolution dans la gamme spectrale ultraviolette. Cette réalisation révolutionnaire ouvre de nouvelles possibilités pour réaliser des expériences dans des conditions de faible luminosité, ouvrant la voie à de nouvelles applications dans divers domaines scientifiques et technologiques.
Principes et défis de la spectroscopie à double peigne
La spectroscopie à double peigne, une technique puissante pour une spectroscopie précise sur de larges bandes passantes spectrales, a été principalement utilisée pour l'absorption linéaire infrarouge de petites molécules en phase gazeuse. Il repose sur la mesure de l’interférence en fonction du temps entre deux peignes de fréquences ayant des fréquences de répétition légèrement différentes. Un peigne de fréquence est un spectre de lignes laser uniformément espacées et cohérentes en phase, qui agit comme une règle pour mesurer la fréquence de la lumière avec une extrême précision. La technique à double peigne ne souffre pas des limitations géométriques associées aux spectromètres traditionnels et offre un grand potentiel de haute précision et précision.
Cependant, la spectroscopie à double peigne nécessite généralement des faisceaux laser intenses, ce qui la rend moins adaptée aux scénarios dans lesquels de faibles niveaux de lumière sont critiques. L’équipe a maintenant démontré expérimentalement que la spectroscopie à double peigne peut être utilisée efficacement dans des conditions de faible luminosité, à des niveaux de puissance plus d’un million de fois inférieurs à ceux généralement utilisés.
Cette avancée a été réalisée en utilisant deux configurations expérimentales distinctes avec différents types de générateurs de peignes de fréquence. L’équipe a développé un interféromètre au niveau des photons qui enregistre avec précision les statistiques de comptage de photons, présentant un rapport signal/bruit à la limite fondamentale. Cette réalisation met en évidence l’utilisation optimale de la lumière disponible pour les expériences et ouvre la perspective de la spectroscopie à double peigne dans des scénarios difficiles où de faibles niveaux de lumière sont essentiels.
Surmonter les défis techniques et les applications futures
Les chercheurs ont relevé les défis associés à la génération de peignes de fréquences ultraviolettes et à la construction d'interféromètres à double peigne avec de longs temps de cohérence, ouvrant ainsi la voie à des avancées dans cet objectif convoité. Ils ont parfaitement contrôlé la cohérence mutuelle de deux lasers peignes avec un femtowatt par ligne de peigne, démontrant une accumulation optimale des statistiques de comptage de leur signal d'interférence sur des durées dépassant une heure. « Notre approche innovante de l'interférométrie à faible luminosité surmonte les défis posés par la faible efficacité de la conversion de fréquence non linéaire et pose une base solide pour étendre la spectroscopie à double peigne à des longueurs d'onde encore plus courtes », commente Bingxin Xu, le chercheur postdoctoral qui a dirigé les expériences.
En effet, une application future intéressante est le développement de la spectroscopie à double peigne à courtes longueurs d’onde, pour permettre une spectroscopie moléculaire précise sous vide et dans l’ultraviolet extrême sur de larges étendues spectrales. Actuellement, la spectroscopie UV extrême à large bande est limitée en résolution et en précision et repose sur une instrumentation unique dans des installations spécialisées.
« La spectroscopie ultraviolette à double peigne, bien qu’elle constitue un objectif ambitieux, est désormais devenue réaliste grâce à nos recherches. Il est important de noter que nos résultats étendent toutes les capacités de la spectroscopie à double peigne aux conditions de faible luminosité, ouvrant ainsi la voie à de nouvelles applications en spectroscopie de précision, en détection biomédicale et en sondage atmosphérique environnemental. Sur une note plus personnelle, cette étape résulte d'une expérience réalisée à l'Institut Max-Planck d'optique quantique et achevée alors que j'avais déjà pris mes fonctions de directeur à l'Institut Max Born. Je ne peux pas imaginer une façon plus excitante de faire la transition vers un nouvel institut. MBI accueillera désormais nos prochaines expériences passionnantes dans ce domaine ! » Nathalie Picqué conclut.
Le développement de la spectroscopie à double peigne dans le domaine des courtes longueurs d’onde promet des avancées dans plusieurs domaines scientifiques et technologiques, soulignant l’importance de cette réalisation.
