En enkel justering av den vanliga installationen är allt som behövs för att förbättra en spektroskopiteknik som använder vågor i terahertzområdet för att undersöka prover, har RIKEN-fysiker upptäckt. Resultaten publiceras i tidskriften Applied Physics Letters.
Att utveckla tekniker som kan erhålla spektra från små områden extremt snabbt är det ultimata målet för ett team som Norihiko Hayazawa från RIKEN Center for Advanced Photonics tillhör.
Fram till nyligen har forskarna fokuserat på att få fram spektra från nanoskaliga områden på prover. Men nu koncentrerar de sig på att ta fram spektra mycket snabbt – i storleksordningen miljarddels sekunder (nanosekunder) – för att minimera fluktuationer som orsakas av den omgivande miljön.
För att uppnå detta vände sig Hayazawa till terahertz tidsdomänspektroskopi, som använder korta pulser av elektromagnetiska vågor som ligger mellan mikrovågor och infraröd strålning i det elektromagnetiska spektrumet.
Eftersom signalen i terahertz tidsdomänspektroskopi är svag, lägger de flesta experimentuppställningar till extern modulering till signalen för lock-in-detektering. Detta gör att signalen lätt kan särskiljas från brus.
Eftersom Hayazawa var nybörjare i tekniken undrade han om denna externa modulering var nödvändig eftersom den serie av mycket korta laserpulser som används för att skapa terahertzpulserna skulle kunna ge en mycket snabbare, inbyggd modulering.
”Jag är egentligen ingen terahertzspektroskopi-person ”, säger han. ”Som nybörjare undrade jag naivt varför vi inte tar bort den externa moderatorn? Det skulle förenkla systemet avsevärt, och dessutom skulle det gå mycket snabbare att ta fram spektra.”
Idén fungerade – förutsatt att det inte förekom några rörelser i labbet. Men mätningen var extremt känslig för störningar, så att även den minsta rörelse hos operatören skulle störa signalen.
”Det var värdelöst ur ett praktiskt perspektiv”, säger Hayazawa. ”Om man höll sig helt stilla långt bort från systemet fungerade det bra. Men så fort man ställde sig upp eller rörde på sig varierade signalen kraftigt.”
Då kom Hayazawa på att han kunde kontrollera vad som hände med demoduleringarna av lock-in-signalens högre övertoner. Eftersom terahertzpulserna inte var helt jämna sinuspulser skapade de signaler med högre frekvenser.
När Hayazawa kontrollerade de högre övertonerna upptäckte han att de var praktiskt taget okänsliga för rörelser.
”Jag hade en vag föraning om att de högre övertonerna skulle kunna bete sig annorlunda”, minns Hayazawa. ”Men jag blev ändå väldigt förvånad när vi kontrollerade data och såg att de var så stabila.”
Det nya systemet erbjuder flera fördelar jämfört med det konventionella. ”Det är mycket snabbt och stabilt”, säger han. ”Och eftersom vi inte längre behöver någon extern modulator är systemet mycket enklare.”
Hayazawa är angelägen om att sprida nyheten om fördelarna med systemet till forskarvärlden. En lock-in-tillverkare har uttryckt intresse för att utveckla instrument som bygger på systemet.
För mer information: M. H. Balgos et al, Single pulse shaping for higher harmonic demodulation in terahertz time-domain spectroscopy, Applied Physics Letters (2024). DOI: 10.1063/5.0228361
