23.06.2021 - University of Tampere

Nuevo método de alta velocidad para mediciones espectroscópicas

Investigadores de la Universidad de Tampere y sus colaboradores han demostrado cómo se pueden hacer mediciones espectroscópicas mucho más rápidas. Al correlacionar la polarización con el color de un láser pulsado, el equipo puede seguir los cambios en el espectro de la luz mediante mediciones de polarización sencillas y extremadamente rápidas. El método abre nuevas posibilidades para medir los cambios espectrales en una escala de tiempo de nanosegundos en todo el espectro de color de la luz.

En espectroscopia, a menudo se miden los cambios de la longitud de onda, es decir, del color, de una luz de sondeo tras la interacción con una muestra. El estudio de estos cambios es uno de los métodos clave para conocer mejor las propiedades de los materiales hasta el nivel atómico. Sus aplicaciones van desde las observaciones astronómicas y los estudios de materiales hasta las investigaciones fundamentales de átomos y moléculas.

El equipo de investigación ha demostrado un novedoso método espectroscópico que tiene el potencial de acelerar las mediciones a velocidades de lectura que son imposibles con los esquemas convencionales.

Las mediciones espectroscópicas suelen basarse en la separación de los distintos componentes de color en diferentes posiciones, donde el espectro puede ser leído por un conjunto de detectores similar a un chip de cámara. Aunque este método permite una inspección directa del espectro, es bastante lento debido a la velocidad limitada de la gran matriz de lectura. El nuevo método que implementaron los investigadores sortea esta restricción generando un estado más complejo de la luz láser y permitiendo así un esquema de mediciones más rápido.

"Nuestro trabajo muestra una forma sencilla de tener diferentes polarizaciones para todos los componentes de color del láser. Utilizando esta luz como sonda, podemos simplemente medir la polarización para obtener información sobre los cambios en el espectro de color", explica la investigadora doctoral Lea Kopf, autora principal del estudio.

El truco que utilizan los investigadores consiste en realizar una modulación en el dominio temporal dividiendo coherentemente un pulso de femto-segundo de un láser en dos partes, cada una de ellas con una polarización diferente ligeramente retrasada en el tiempo con respecto a la otra.

"Esta modulación puede realizarse fácilmente utilizando un cristal de birrefringencia, en el que la luz de distinta polarización viaja a velocidades diferentes. Esto da lugar a la polarización espectral cambiante necesaria para nuestro método", describe el profesor asociado Robert Fickler, que dirige el grupo de Óptica Cuántica Experimental en el que se realizó el experimento.

Mediciones espectroscópicas de alta velocidad

Los investigadores no sólo han demostrado cómo se pueden generar estos complejos estados de luz en el laboratorio, sino que también han probado su aplicación en la reconstrucción de cambios espectrales utilizando únicamente el análisis de la polarización. Como este último sólo requiere hasta cuatro mediciones de intensidad simultáneas, se pueden utilizar unos pocos fotodiodos muy rápidos.

Con este enfoque, los investigadores pueden determinar el efecto de las modulaciones de banda estrecha del espectro con una precisión comparable a la de los espectrómetros estándar, pero a gran velocidad. "Sin embargo, no pudimos llevar nuestro esquema de medición a sus límites en términos de posibles tasas de lectura, ya que estamos limitados por la velocidad de nuestro esquema de modulación a unos pocos millones de muestras por segundo", continúa Lea Kopf.

Sobre la base de estos prometedores resultados iniciales, las tareas futuras incluirán la aplicación de la idea a una luz de banda más ancha, como las fuentes de luz supercontinua, y la aplicación del esquema en las mediciones espectroscópicas de muestras que varían de forma natural rápidamente para utilizar todo su potencial.

"Estamos contentos de que nuestro interés fundamental por estructurar la luz de diferentes maneras haya encontrado ahora una nueva dirección, que parece ser útil para tareas de espectroscopia que normalmente no son nuestro objetivo. Como grupo de óptica cuántica, ya hemos empezado a discutir cómo aplicar y beneficiarnos de estas ideas en nuestros experimentos de fotónica cuántica", añade Robert Fickler.

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