I ricercatori dell'Università di Tampere e i loro collaboratori hanno dimostrato come le misurazioni spettroscopiche possono essere effettuate molto più velocemente. Correlando la polarizzazione al colore di un laser pulsato, il team può monitorare i cambiamenti nello spettro della luce mediante misurazioni di polarizzazione semplici ed estremamente veloci. Il metodo apre nuove possibilità per misurare i cambiamenti spettrali su una scala temporale di nanosecondi sull'intero spettro cromatico della luce.

Nella spettroscopia, spesso i cambiamenti della lunghezza d'onda, cioè colore, di una sonda luminosa vengono misurati dopo l'interazione con un campione. Lo studio di questi cambiamenti è uno dei metodi chiave per ottenere una comprensione più profonda delle proprietà dei materiali fino al livello atomico. Le sue applicazioni spaziano dalle osservazioni astronomiche e studi sui materiali, alle indagini fondamentali su atomi e molecole.

Il team di ricerca ha dimostrato un nuovo metodo spettroscopico che ha il potenziale per accelerare le misurazioni per leggere velocità impossibili con gli schemi convenzionali. I risultati sono stati ora pubblicati sulla prestigiosa rivista ottica .

Le misurazioni spettroscopiche di solito si basano sulla separazione dei diversi componenti del colore in posizioni diverse, dove lo spettro può quindi essere letto da un array di rivelatori simile a un chip di fotocamera. Sebbene questo approccio consenta un'ispezione diretta dello spettro, è piuttosto lento a causa della velocità limitata del grande array di lettura. Il nuovo metodo che i ricercatori hanno implementato aggira questa restrizione generando uno stato più complesso di luce laser e consentendo così uno schema di misurazioni più veloce.

"Il nostro lavoro mostra un modo semplice per avere polarizzazioni diverse per tutti i componenti di colore del laser. Usando questa luce come sonda, possiamo semplicemente misurare la polarizzazione per ottenere informazioni sui cambiamenti nello spettro dei colori, " spiega la dottoressa di ricerca Lea Kopf, autore principale dello studio.

Il trucco utilizzato dai ricercatori è eseguire una modulazione nel dominio temporale suddividendo coerentemente un impulso di femtosecondi di un laser in due parti, ciascuna con una polarizzazione diversa leggermente ritardata nel tempo l'una rispetto all'altra.

"Una tale modulazione può essere facilmente eseguita utilizzando un cristallo di birifrangenza, dove la luce diversamente polarizzata viaggia a velocità diverse. Questo porta alla polarizzazione spettrale necessaria per il nostro metodo, " descrive il Professore Associato Robert Fickler, che guida il gruppo di ottica quantistica sperimentale in cui è stato eseguito l'esperimento.

Misure spettroscopiche ad alta velocità

I ricercatori non hanno solo dimostrato come possono essere generati in laboratorio stati di luce così complessi; hanno anche testato la loro applicazione nella ricostruzione dei cambiamenti spettrali usando solo l'analisi di polarizzazione. Poiché quest'ultimo richiede solo fino a quattro misurazioni di intensità simultanee, possono essere utilizzati alcuni fotodiodi molto veloci.

Utilizzando questo approccio, i ricercatori possono determinare l'effetto delle modulazioni a banda stretta dello spettro con una precisione paragonabile agli spettrometri standard ma ad alta velocità. "Però, non siamo riusciti a spingere il nostro schema di misurazione ai suoi limiti in termini di possibili tassi di lettura, poiché siamo limitati dalla velocità del nostro schema di modulazione a pochi milioni di campioni al secondo, " continua Kopf.

Basandosi su questi promettenti risultati iniziali, i compiti futuri includeranno l'applicazione dell'idea a più luce a banda larga, come sorgenti luminose super continue, e applicare lo schema nelle misurazioni spettroscopiche di campioni a variazione naturale rapida per utilizzare il suo pieno potenziale.

"Siamo felici che il nostro interesse fondamentale per strutturare la luce in modi diversi abbia ora trovato una nuova direzione, che sembra essere utile per compiti di spettroscopia che di solito non sono il nostro obiettivo. Come gruppo di ottica quantistica, abbiamo già iniziato a discutere su come applicare e beneficiare di queste idee nei nostri esperimenti di fotonica quantistica, "aggiunge Fickler.