Les peignes de fréquence optiques rendent la spectroscopie dans l'ultraviolet plus sensible et plus précise
Le développement promet des avancées dans plusieurs domaines scientifiques et technologiques
Dans une récente publication dans Nature, des chercheurs de l'Institut Max Born (MBI) de Berlin, en Allemagne, et de l'Institut Max-Planck d'optique quantique de Garching présentent une nouvelle technique de décryptage des propriétés de la matière par la lumière, qui permet de détecter simultanément et de quantifier avec précision de nombreuses substances avec une grande sélectivité chimique. Leur technique interroge les atomes et les molécules dans la région spectrale de l'ultraviolet à des niveaux de lumière très faibles. En utilisant deux peignes de fréquence optiques et un compteur de photons, les expériences ouvrent des perspectives passionnantes pour la spectroscopie à double peigne dans des conditions de faible luminosité et ouvrent la voie à de nouvelles applications des diagnostics au niveau des photons, telles que la spectroscopie de précision d'atomes ou de molécules uniques pour des tests fondamentaux de physique et de photochimie dans l'ultraviolet dans l'atmosphère terrestre ou à partir de télescopes spatiaux.
Spectromètre à double peigne de comptage de photons dans l'ultraviolet. Deux peignes de fréquence ultraviolets dont les fréquences de répétition des impulsions sont légèrement différentes sont générés à des niveaux de lumière très faibles par conversion non linéaire de la fréquence des peignes infrarouges proches. Un peigne ultraviolet traverse un échantillon. Les deux peignes faibles sont ensuite superposés à l'aide d'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 portent l'information sur l'échantillon avec son spectre optique éventuellement très complexe.
T.W. Hänsch (MPI für Quantenoptik) und N. Picqué (MPI für Quantenoptik, Max-Born-Institut)
La spectroscopie dans l'ultraviolet 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 à haute résolution en soutien à la chimie atmosphérique et à l'astrophysique, et la physique en champ fort. Les scientifiques du groupe de Nathalie Picqué ont maintenant fait un pas important dans le domaine de la spectroscopie ultraviolette en mettant en œuvre avec succès la spectroscopie à double peigne à absorption linéaire à haute résolution dans le domaine spectral de l'ultraviolet. Cette réalisation révolutionnaire ouvre de nouvelles possibilités pour la réalisation d'expériences dans des conditions de faible luminosité, ouvrant la voie à de nouvelles applications dans divers domaines scientifiques et technologiques.
La spectroscopie à double peigne, une technique puissante pour une spectroscopie précise sur de larges bandes spectrales, a été principalement utilisée pour l'absorption linéaire dans l'infrarouge de petites molécules en phase gazeuse. Elle repose sur la mesure de l'interférence en fonction du temps entre deux peignes de fréquences dont les fréquences de répétition sont légèrement différentes. Un peigne de fréquences est un spectre de lignes laser cohérentes en phase et régulièrement espacées, qui agit comme une règle pour mesurer la fréquence de la lumière avec une extrême précision. La technique du double peigne ne souffre pas des limitations géométriques associées aux spectromètres traditionnels et offre un grand potentiel de précision et d'exactitude.
Cependant, la spectroscopie à double peigne nécessite généralement des faisceaux laser intenses, ce qui la rend moins adaptée aux scénarios dans lesquels les faibles niveaux de lumière sont critiques. L'équipe vient de démontrer 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 habituellement utilisés. Cette percée a été réalisée à l'aide de deux dispositifs expérimentaux distincts avec différents types de générateurs de peignes de fréquence. L'équipe a mis au point un interféromètre à niveau de photon qui enregistre avec précision les statistiques du comptage de photons, affichant 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.
Les chercheurs ont relevé les défis liés à la génération de peignes de fréquence dans l'ultraviolet et à la construction d'interféromètres à double peigne avec de longs temps de cohérence, ouvrant ainsi la voie à des avancées vers cet objectif convoité. Ils ont contrôlé de manière exquise la cohérence mutuelle de deux lasers à peigne avec un femtowatt par ligne de peigne, démontrant une accumulation optimale des statistiques de comptage de leur signal d'interférence sur des temps dépassant une heure. "Notre approche innovante de l'interférométrie à faible luminosité permet de relever les défis posés par la faible efficacité de la conversion non linéaire de fréquence et jette des bases solides pour étendre la spectroscopie à double peigne à des longueurs d'onde encore plus courtes", commente Bingxin Xu, le scientifique post-doctoral qui a dirigé les expériences.
En effet, le développement de la spectroscopie à double peigne à des longueurs d'onde courtes est une application future convaincante, qui permettra une spectroscopie moléculaire précise dans le vide et l'extrême ultraviolet sur de larges étendues spectrales. Actuellement, la spectroscopie à large bande dans l'ultraviolet extrême est limitée en termes de résolution et de précision, et dépend d'une instrumentation unique dans des installations spécialisées. "La spectroscopie ultraviolette à double peigne, qui était un objectif ambitieux, est devenue réaliste grâce à nos recherches. Il est important de noter que nos résultats étendent les capacités de la spectroscopie à double peigne aux conditions de faible luminosité, ce qui ouvre la voie à de nouvelles applications dans les domaines de la spectroscopie de précision, de la détection biomédicale et du sondage atmosphérique environnemental. D'un point de vue plus personnel, cette étape importante 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. L'IBM va maintenant accueillir nos prochaines expériences passionnantes dans ce domaine ! "conclut Nathalie Picqué. 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, ce qui souligne l'importance de cette réalisation.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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