В спектроскопии часто изменение длины волны, i.е. цвет зондирующего света измеряется после взаимодействия с образцом. Изучение этих изменений – один из ключевых методов для более глубокого понимания свойств материалов вплоть до атомного уровня. Его приложения варьируются от астрономических наблюдений и изучения материалов до фундаментальных исследований атомов и молекул.
Исследовательская группа продемонстрировала новый спектроскопический метод, который может ускорить измерения до скоростей считывания, которые невозможны при использовании обычных схем. Результаты опубликованы в журнале Optica.
Спектроскопические измерения обычно основаны на разделении различных цветовых компонентов на разные позиции, где спектр затем может быть считан детекторной матрицей, подобной микросхеме камеры. Хотя этот подход позволяет осуществлять прямую проверку спектра, он довольно медленный из-за ограниченной скорости большого массива считывающих устройств.
Новый метод, который реализовали исследователи, обходит это ограничение, генерируя более сложное состояние лазерного света и тем самым позволяя более быструю схему измерений.
«Наша работа показывает простой способ иметь разную поляризацию для всех цветовых компонентов лазера. Используя этот свет в качестве зонда, мы можем просто измерить поляризацию, чтобы получить информацию об изменениях в цветовом спектре », – объясняет доктор-исследователь Леа Копф, ведущий автор исследования.
Уловка, которую используют исследователи, заключается в том, чтобы выполнить модуляцию во временной области, когерентно разделив фемтосекундный импульс лазера на две части, каждая из которых имеет разную поляризацию, немного задержанную во времени относительно друг друга.
"Такую модуляцию можно легко осуществить, используя кристалл двойного лучепреломления, в котором свет с разной поляризацией распространяется с разной скоростью. Это приводит к спектрально изменяющейся поляризации, необходимой для нашего метода », – описывает доцент Роберт Фиклер, возглавляющий группу экспериментальной квантовой оптики, в которой проводился эксперимент.
Высокоскоростные спектроскопические измерения
Исследователи не только продемонстрировали, как такие сложные состояния света могут быть созданы в лаборатории; они также протестировали свое приложение для восстановления спектральных изменений, используя только анализ поляризации. Поскольку последнее требует всего до четырех одновременных измерений интенсивности, можно использовать несколько очень быстрых фотодиодов.
Используя этот подход, исследователи могут определить эффект узкополосной модуляции спектра с точностью, сравнимой со стандартными спектрометрами, но с высокой скоростью. «Однако мы не могли довести нашу схему измерения до пределов возможной скорости считывания, поскольку скорость нашей схемы модуляции ограничена несколькими миллионами выборок в секунду», – продолжает Леа Копф.
Основываясь на этих многообещающих первоначальных результатах, будущие задачи будут включать в себя применение этой идеи к более широкополосному свету, например сверхконтинуальным источникам света, и применение схемы в спектроскопических измерениях естественно быстро меняющихся образцов для использования всего ее потенциала.
«Мы рады, что наш фундаментальный интерес к различным способам структурирования света теперь нашел новое направление, которое кажется полезным для задач спектроскопии, которые обычно не являются нашей целью.
Как группа, занимающаяся квантовой оптикой, мы уже начали обсуждать, как применить и извлечь выгоду из этих идей в наших экспериментах по квантовой фотонике », – добавляет Роберт Фиклер.