Equipe de pesquisa usa laser ajustável para desenvolver método de espectroscopia de banda larga simples com precisão de nível Hz

Desde a primeira demonstração do laser na década de 1960, a espectroscopia a laser se tornou uma ferramenta essencial para estudar as estruturas e dinâmicas detalhadas de átomos e moléculas. Os avanços na tecnologia a laser aumentaram ainda mais suas capacidades. Existem dois tipos principais de espectroscopia a laser: espectroscopia a laser baseada em pente de frequência e espectroscopia a laser de onda contínua ajustável (CW).

A espectroscopia a laser baseada em pente permite medições de frequência extremamente precisas, com uma exatidão de até 18 dígitos. Essa precisão notável levou a um Prêmio Nobel de Física em 2005 e tem aplicações em relógios ópticos, detecção de gravidade e busca por matéria escura. Os pentes de frequência também permitem espectroscopia de banda larga de alta precisão e alta velocidade porque combinam grande largura de banda com alta resolução espectral.

No entanto, uma desvantagem é a baixa potência por modo de pente, o que dificulta a detecção de gases traço. As lacunas entre os modos de pente também exigem técnicas adicionais para medir características espectralmente estreitas. Além disso, medições de alta precisão exigem fontes de pente com coerência de longo prazo, o que demanda sistemas de estabilização complexos e sofisticados.

Lasers CW ajustáveis ​​oferecem alto fluxo de fótons, longos caminhos de interação e agilidade de frequência, tornando-os ideais para espectroscopia molecular sensível, detecção de gás e aplicações LIDAR com altas relações sinal-ruído (SNR). No entanto, esses sistemas frequentemente sofrem com flutuações na velocidade de varredura de frequência do laser.

Vários métodos, incluindo abordagens interferométricas, modulação de banda lateral única e pentes de frequência óptica, foram desenvolvidos para abordar essas flutuações. A espectroscopia a laser sintonizável calibrada por pente de frequência combina a precisão de um pente de frequência com a sintonização e a alta potência de um laser CW. No entanto, esse método requer um pente de frequência de referência com um espectro óptico plano e polarização estável em uma ampla faixa, o que pode ser desafiador de se obter.

Pesquisadores do Instituto Max Planck para a Ciência da Luz desenvolveram um novo método simples de espectroscopia de banda larga com precisão de nível Hz usando um laser ajustável.

Conforme relatado em Fotônica Avançadaessa técnica envolve calibração instantânea da frequência do laser usando uma cavidade de fibra e uma técnica de modulação de radiofrequência (RF) dupla. Essa abordagem permite o rastreamento preciso da cor do laser de varredura em cada ponto no tempo. Ela fornece marcadores de calibração que servem como uma régua de frequência óptica fácil de usar para medir distâncias de frequência óptica entre características espectrais com precisão ultra-alta.

Usando esse método, os pesquisadores mediram desvios minúsculos na faixa espectral livre de uma cavidade de loop de fibra em uma faixa de frequência de 11 THz com precisão abaixo de 10 Hz, uma ordem de grandeza de melhoria em relação aos métodos de espectroscopia a laser sintonizável existentes. A velocidade de medição foi de 1 THz/s, limitada pela largura de linha da cavidade de referência. Comparada à espectroscopia baseada em pente de frequência, essa técnica oferece maior potência de sonda óptica e melhor planura espectral e estabilidade de polarização.

O novo método também foi usado para caracterizar características espectrais de dispositivos fotônicos integrados como microrressonadores e para medir o espectro de absorção molecular de gás HF com duas ordens de magnitude de melhoria na precisão em comparação aos métodos existentes. Este método robusto e direto não requer bloqueio de modo ou bloqueio de fase, tornando-o adequado para aplicações fora do laboratório, incluindo sistemas LIDAR, imagens 3D, detecção de gás traço de caminho aberto, caracterização de dispositivos fotônicos e calibração de espectrômetros astrofísicos. Sua simplicidade e robustez o tornam uma excelente escolha para uso em ambientes desafiadores.