Pettini di frequenza: la chiave per la spettroscopia di nuova generazione
Un articolo di revisione dimostra come gli interferometri a doppio pettine possano determinare la risoluzione solo attraverso la coerenza temporale.
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Atomi e molecole sono i mattoni fondamentali della materia. La spettroscopia identifica e quantifica le specie chimiche attraverso le impronte digitali spettrali uniche che esse imprimono alla luce. La spettroscopia ha molte applicazioni, che vanno dai test fondamentali dell'elettrodinamica quantistica e dalle indagini sulla struttura molecolare al rilevamento ambientale, alla diagnostica biomedica e al monitoraggio industriale. Nel corso degli anni è emerso uno strumento spettroscopico molto promettente che ha il potenziale di trasformare il campo: lo spettrometro dual-comb. Questo strumento si basa sull'interferenza di due laser ultraveloci mode-locked che producono ampi pettini di frequenza composti da linee spettrali strette e uniformemente distanziate. In un articolo pubblicato su Nature Reviews Methods Primers, Nathalie Picqué e Theodor W. Hänsch passano in rassegna i principi, i progressi e le opportunità future del campo in rapido sviluppo della scienza atomica e molecolare a banda larga che utilizza la spettroscopia dual-comb.
Due pettini di frequenza con spaziatura leggermente diversa interferiscono e forniscono un modo potente di eseguire la spettroscopia ad alta risoluzione senza parti in movimento.
MBI | Prof. Dr. Nathalie Picqué
Un pettine di frequenza è uno spettro di linee laser nitide e coerenti in fase, uniformemente spaziate. Tali pettini, basati su laser femtosecondi mode-locked, come sperimentato all'Istituto Max-Planck di Ottica Quantistica negli anni '90, hanno rivoluzionato le misure di frequenza e tempo. Nella metrologia della frequenza, un pettine laser agisce come un righello nello spazio delle frequenze, che collega convenientemente frequenze a microonde e ottiche, e/o misura una grande separazione tra due frequenze ottiche. Negli ultimi due decenni, i pettini di frequenza hanno trovato nuove applicazioni. Una di queste è la spettroscopia a doppio pettine. La spettroscopia a doppio pettine affronta la sfida di combinare un'ampia copertura spettrale con un'elevata risoluzione e precisione utilizzando due pettini di frequenza ottici con frequenze di ripetizione leggermente diverse per mappare gli spettri ottici direttamente nel dominio delle radiofrequenze. Il metodo si basa sull'interferometria nel dominio del tempo ed evita la scansione meccanica, consentendo misure precise, rapide e a banda larga.
Negli ultimi due decenni, la spettroscopia a doppio pettine è stata implementata in tutto lo spettro elettromagnetico, dal terahertz alla gamma del visibile, con sforzi in corso verso la gamma dell'ultravioletto. In un primer (https://rdcu.be/fjWI4) appena pubblicato su Nature Reviews Methods Primers, Nathalie Picqué (Istituto Max Born e Università Humboldt di Berlino) e Theodor W. Hänsch (Istituto Max-Planck di Ottica Quantistica e Università Ludwig-Maximilian di Monaco di Baviera) presentano i principi, i progressi e le applicazioni rappresentative della spettroscopia dual-comb, nonché i suoi limiti attuali e le direzioni emergenti per un ulteriore sviluppo. I relatori sottolineano che, poiché la misurazione non dipende da vincoli geometrici, l'interferometro a doppia bobina offre una via concettuale verso la spettroscopia a banda larga, la cui risoluzione è determinata esclusivamente dalla coerenza temporale, e verso spettrometri altamente miniaturizzati.
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