DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07094-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38448594
تاريخ النشر: 2024-03-06
المؤلف: Bingxin Xu وآخرون
الموضوع الرئيسي: تكنولوجيا الليزر الألياف المتقدمة
طرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون الطرق المستخدمة لتوليد مجموعات ترددات قريبة من الأشعة فوق البنفسجية وإجراء تداخل مزدوج للمجموعات. يتم تقسيم ليزر ديود ذو تجويف ممتد يعمل عند تردد مركزي قدره 193 تيراهرتز (1,550 نانومتر) بقدرة متوسطة تبلغ 40 مللي واط إلى شعاعين. يخضع أحد الشعاعين لتحويل تردد عبر معدل صوتي بصري (AOM) لمنع التداخل في الصور التداخلية، مع تحويل قدره $f_{\text{AOM}} = 40.0 \, \text{ميغاهرتز}$. يضمن هذا الإعداد أن تكون الصور التداخلية الفردية دورية بتردد تكرار محدد، $f_{\text{rep}}$، والذي يتم عادةً ضبطه بين 200 و 500 ميغاهرتز. يتم تعديل الشعاعين وتكبيرهما، مع حدوث مضاعفة التردد في بلورات الليثيوم-نيوبات الموجهة بشكل دوري، مما يؤدي إلى توليد مجموعتين قريبتين من الأشعة فوق البنفسجية تحتوي كل منهما على حوالي 100 خط، قابلة للتعديل بين 750 و 784 تيراهرتز.
يتضمن الإعداد التجريبي كاشفًا لعد الفوتونات لقياس الشعاعين المدمجين بعد المرور عبر خلية بخار السيزيوم المسخنة. يذكر المؤلفون معدل العد الأقصى المكتشف قدره $2.5 \times 10^7 \, \text{عد في الثانية}^{-1}$، مع انحراف معياري لتقلبات الشدة قدره $1 \times 10^{-3}$ على مدى 350 ثانية. بالنسبة لقياسات التردد، يتم قفل الليزر المستمر الطور على جهاز توليد مجموعة ترددات، محققًا عدم استقرار في الحلقة أقل من 1 هرتز على مدى نصف ساعة. تشير النتائج إلى عدم يقين نسبي في التردد قدره $6 \times 10^{-9}$ لأكثر الخطوط كثافة، مع توجيه العمل المستقبلي نحو تعزيز نسب الإشارة إلى الضوضاء من خلال الطيفية الخالية من الخلفية والخالية من دوبلر. بالإضافة إلى ذلك، يتم وصف إعداد تداخل مزدوج للمجموعات في نطاق الأشعة المرئية، باستخدام ليزرات ألياف مشوبة باليربيوم وخلية روبيديوم، مما يسمح بأوقات تماسك طويلة وقياسات طيفية عالية الدقة.
نقاش
في هذا القسم، يقدم المؤلفون تقدمًا كبيرًا في طيفية المجموعات المزدوجة، موضحين جدواها في ظروف الإضاءة المنخفضة للغاية، حيث تكون الطاقة الضوئية أضعف بأكثر من مليون مرة من الإعدادات النموذجية. يستخدمون مولدين لمجموعات الترددات ينبعثان من سلاسل نبضات بترددات تكرار مختلفة قليلاً، مما يسمح بتراكم عد الفوتونات لإعادة بناء الصور التداخلية على الرغم من معدلات الكشف المنخفضة. تحقق التجارب حساسية محدودة بالضوضاء الكمومية، مما يشير إلى أن الخصائص الإحصائية لعد الفوتونات يتم إعادة إنتاجها بدقة، وهو أمر حاسم للطيفية عالية الدقة.
يوضح المؤلفون تطبيق هذه التقنية في نطاق الأشعة فوق البنفسجية القريبة باستخدام تحويل التردد غير الخطي، محققين دقة طيفية قدرها 500 ميغاهرتز وقياس انتقالات ضعيفة في بخار السيزيوم الذري بنجاح. كما يستكشفون إمكانية استخدام ليزرات الألياف للطيف المرئي، موضحين أنه حتى عند مستويات طاقة منخفضة بشكل كبير، يمكن استرداد المعلومات الطيفية بدقة عالية. تشير النتائج إلى أن طيفية المجموعات المزدوجة يمكن أن تُستخدم بفعالية في سيناريوهات صعبة متنوعة، مثل القياسات الدقيقة في البيئات المسيطر عليها والتطبيقات الطبية الحيوية، مما يوسع من فائدتها في البحث العلمي والتكنولوجيا. يبرز المؤلفون المستقبل الواعد لهذه التقنية، لا سيما في نطاق الطول الموجي القصير، مما قد يؤدي إلى breakthroughs في الطيفية الجزيئية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07094-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38448594
Publication Date: 2024-03-06
Author(s): Bingxin Xu et al.
Primary Topic: Advanced Fiber Laser Technologies
Methods
In this section, the authors detail the methods employed for generating near-ultraviolet frequency-combs and conducting dual-comb interferometry. A continuous-wave extended-cavity diode laser, operating at a center frequency of 193 THz (1,550 nm) with an average power of 40 mW, is split into two beams. One beam undergoes a frequency shift via an acousto-optic modulator (AOM) to prevent aliasing in the interferograms, with a shift of $f_{\text{AOM}} = 40.0 \, \text{MHz}$. This setup ensures that the individual interferograms are periodic with a defined repetition frequency, $f_{\text{rep}}$, which is typically set between 200 and 500 MHz. The beams are modulated and amplified, with frequency doubling occurring in periodically poled lithium-niobate crystals, resulting in the generation of two near-ultraviolet combs with approximately 100 lines each, tunable between 750 and 784 THz.
The experimental setup includes a photon-counting detector to measure the combined beams after passing through a heated caesium-vapour cell. The authors report a maximum detected count rate of $2.5 \times 10^7 \, \text{counts s}^{-1}$, with a standard deviation of intensity fluctuations of $1 \times 10^{-3}$ over 350 seconds. For frequency measurements, the continuous-wave laser is phase-locked to a frequency-comb synthesizer, achieving in-loop instabilities of less than 1 Hz over half an hour. The results indicate a relative frequency uncertainty of $6 \times 10^{-9}$ for the most intense lines, with future work aimed at enhancing signal-to-noise ratios through background-free Doppler-free spectroscopy. Additionally, a visible-range photon-counting dual-comb interferometer setup is described, utilizing erbium-doped fiber lasers and a rubidium cell, which allows for long coherence times and high-resolution spectral measurements.
Discussion
In this section, the authors present a significant advancement in dual-comb spectroscopy, demonstrating its feasibility under extremely low light conditions, where the optical power is over a million times weaker than typical settings. They utilize two frequency-comb generators emitting pulse trains with slightly different repetition frequencies, allowing for the accumulation of photon counts to reconstruct interferograms despite the low detection rates. The experiments achieve quantum-noise-limited sensitivity, indicating that the statistical properties of photon counting are accurately reproduced, which is crucial for high-resolution spectroscopy.
The authors illustrate the application of this technique in the near-ultraviolet range using nonlinear frequency conversion, achieving a spectral resolution of 500 MHz and successfully measuring weak transitions in atomic cesium vapor. They also explore the potential of using fiber lasers for visible spectra, demonstrating that even at significantly reduced power levels, the spectral information can be retrieved with high precision. The findings suggest that dual-comb spectroscopy can be effectively employed in various challenging scenarios, such as precision measurements in controlled environments and biomedical applications, thus expanding its utility in scientific research and technology. The authors highlight the promising future of this technique, particularly in the short-wavelength range, which could lead to breakthroughs in molecular spectroscopy.