広帯域の高解像度周波数コムをUVに取り込む

November, 20, 2024, Washington--前例のないスペクトル分解能を備えた新しい広帯域UV周波数コムは、強化された分光測定への道を開く。

研究者たちは、前例のない 100 万本のコム ラインで超広帯域紫外線 (UV) 周波数コムを生成する新しい超高速レーザ プラットフォームを開発し、優れたスペクトル解像度を示した。この新しいアプローチは、非常に正確で安定した周波数も生成するため、高分解能の原子および分子分光法を向上させる可能性がある。

光周波数コムは、何千もの等間隔のスペクトル線を放射し、光原子時計を介して計測、分光法、精密計時などの分野を変革し、2005年にノーベル物理学賞を受賞した。

初期周波数コムは、可視から近赤外の範囲内で動作した。導入後まもなく、そのスペクトル範囲は光高調波発生によってUV領域に拡張され、精密レーザ分光法のための新しいスペクトル領域が開かれた。「それにもかかわらず、UV範囲で広帯域カバレッジと高いスペクトル分解能の両方を達成することは、依然としてかなりの課題である」と、セントラルフロリダ大学(UCF)CREOL、The College of Optics & Photonicsの研究チームリーダーKonstantin Vodopyanovは話している。

Opticaでは、研究チームは、2つの超広角UVスペクトル領域にわたって光を生成する高解像度デュアルコム分光システムについて説明している。ライン間隔がわずか80MHzの場合、周波数コムは最大1,000万の分解能を示す。

「広帯域の高解像度UV分光法は、原子や分子の電子遷移に関する独自の洞察を提供する。これは、化学分析、光化学、大気微量ガスセンシング、太陽系外惑星探査など、多数の吸収特性の同時検出が不可欠なアプリケーションにとって非常に貴重である」(Vodopyanov)。

デュアルコーム分光法
100万本の間隔の狭いスペクトル線を含むUV周波数コムを分光法アプリケーションに利用するために、研究チームは既存の分光計の能力を超える高いスペクトル分解能を達成できる方法を必要としていた。チームは、わずかに異なるライン間隔を持つ2つの周波数コムを1つの検出器で組み合わせ、インタフェログラムを生成する強力な新技術、デュアルコム分光法に目を向けた。フーリエ変換を適用することで、非常に高いスペクトル分解能と迅速なデータ取得により、スペクトル全体を再構築することができる。
「過去10年間で、デュアルコム分光法は中赤外およびテラヘルツ領域で大きな進歩を遂げたが、UVスペクトル範囲には顕著なギャップが残っている。既存のデモンストレーションでは、分解能、帯域幅、またはその両方の点で不十分である」(Vodopyanov)。

この課題に対処するために、研究チームは、波長2.4μmでコヒレントな超高速赤外線パルスを生成するレーザプラットフォームを開発した。非線形結晶を使用して、第6高調波と第7高調波を生成し、約1,000,000のスペクトル分解されたコムラインをカバーする第6高調波と約550,000を含む第7高調波の2つのUVバンドを生成した。これにより、372〜410 nmと325〜342 nmの2つのUVスペクトル範囲が得られた。デュアルコーム分光法を可能にするために、チームは広帯域UV周波数コムシステムを複製し、UVコームの構造をさらに精緻化することを可能にした。

精密スペクトル線

スペクトル線を原子時計に参照することにより、研究チームは、最も要求の厳しいアプリケーションに適した高精度の分光測定を実行できるようにした。

デモンストレーションとして、チームはデュアルコーム分光法システムを使用して、IPG/OptiGrate製のボリュームブラッググレーティングミラーの狭い反射スペクトルを測定した。新しいシステムは10,000,000の分解能を達成しており、研究チームによると、これは既存の回折格子やフーリエ分光計よりもはるかに優れている。

次に、研究チームは、この技術をさらに深いUV領域、場合によっては100nmの波長まで拡張することを目指している。

論文:A. Muraviev、D. Konnov、S. Vasilyev、K. L. Vodopyanov、「100万の分解能コムラインを持つデュアル周波数コムUV分光法」、Optica、11、1486-1489(2024年)。DOI:https://doi.org/10.1364/OPTICA.536971