Los gases en el medio ambiente se pueden probar espectroscópicamente de forma rápida y precisa utilizando los denominados peines de doble frecuencia. Los investigadores de ETH han desarrollado un método mediante el cual dichos peines de frecuencia se pueden crear de manera mucho más simple y económica que antes.

En contraste con la luz emitida por una simple lámpara, La luz láser tiene una frecuencia definida con mucha precisión. Esto lo hace ideal para investigaciones espectroscópicas, en el que las propiedades de las sustancias se determinan en función de las frecuencias a las que absorben la luz. Un análisis espectroscópico completo generalmente requiere un poco de paciencia, ya que la frecuencia del láser debe cambiarse gradualmente ("escanear") para obtener un espectrograma completo. Un grupo de físicos de la ETH en Zúrich dirigido por Ursula Keller en el Instituto de Electrónica Cuántica ahora ha demostrado un método fundamental que podría conducir a investigaciones espectroscópicas más simples y rápidas en el futuro. Para ese propósito, desarrollaron una técnica novedosa para crear los denominados peines de doble frecuencia. Los resultados ya se han publicado en la revista científica. Ciencias .

Una regla hecha de luz

Mientras que un láser normal emite luz a una frecuencia, un peine de frecuencia presenta una gran cantidad de frecuencias a una distancia constante entre sí, al igual que las marcas en una regla. Esto es posible mediante el uso de láseres que crean pulsos de luz periódicos extremadamente cortos. Estos trenes de pulsos tienen un espectro de frecuencia similar a un peine, que se puede ampliar aún más utilizando materiales ópticos particulares. En 2005, se otorgó el Premio Nobel a la espectroscopia de precisión basada en láser, incluida la técnica de peine de frecuencia óptica, para lo cual Ursula Keller en colaboración con Harald Telle de PTB Braunschweig inventó la tecnología habilitadora clave para la estabilización del peine en 1999.

En principio, se podría sondear una sustancia simultáneamente con muchas frecuencias utilizando un peine de frecuencia de este tipo. En la espectroscopia ordinaria, una parte de la luz láser se envía a través del material a estudiar, y la otra parte se utiliza como referencia. La frecuencia del láser ahora se escanea constantemente, y al mismo tiempo se mide la absorción de la luz láser por la sustancia en relación con el haz de referencia utilizando dos fotodetectores. A partir de este barrido de frecuencia se obtiene el espectrograma característico de la sustancia. Desafortunadamente, este procedimiento no se puede aplicar directamente a un peine de frecuencia. Las diferentes frecuencias contenidas simultáneamente en el peine ciertamente se absorberían de manera diferente. El fotodetector, sin embargo, no sería capaz de distinguirlos. Para hacerlo tendría que registrar directamente al individuo, oscilaciones superpuestas de la luz, cuales, sin embargo, es imposible en la práctica debido a su alta frecuencia de varios cientos de Terahercios (mil billones de oscilaciones por segundo).

El truco del afinador de pianos

La técnica desarrollada por Keller y sus colaboradores "traduce" estas oscilaciones rápidas y no medibles directamente en otras mucho más lentas que pueden detectarse fácilmente con la electrónica convencional. Este procedimiento se basa en un truco que los afinadores de pianos utilizan de forma similar. Para obtener una afinación igual de los diferentes acordes de un mismo tono, un afinador de piano utiliza el tiempo producido por la superposición de dos frecuencias diferentes. El latido pulsa a una velocidad que corresponde a la diferencia de las dos frecuencias superpuestas.

Los investigadores de ETH utilizan un método muy similar en el que crean un segundo peine de frecuencia, cuyas frecuencias tienen un espaciado ligeramente diferente a las del primero. Esto crea pares de frecuencias, cada uno de los cuales da como resultado una frecuencia de batido ligeramente diferente. Estas frecuencias de latido se encuentran ahora en el régimen de megahercios y se pueden medir fácilmente mediante fotodetectores.

Dos peines de frecuencia por el precio de uno

Este tipo de espectroscopia de doble peine existe desde hace algunos años, pero la técnica ahora desarrollada en ETH lo hace considerablemente más simple y menos costoso, como Sandro Link, Estudiante de doctorado y primer autor del artículo, explica:"La verdadera novedad es que creamos los dos peines de frecuencia con un solo láser en lugar de dos, que tendrían que ser cuidadosamente estabilizados entre sí. "El truco que utilizan consiste en un cristal birrefringente que se inserta en un láser, lo que hace que la luz viaje distancias ligeramente diferentes según su polarización (es decir, la dirección de oscilación de la onda electromagnética). Como consecuencia, los dos rayos láser así producidos tienen periodos de pulso ligeramente diferentes, lo que a su vez conduce a peines de frecuencia con diferentes espaciamientos de frecuencia. Como los dos peines de frecuencia son creados por el mismo láser, estabilizarlos entre sí se vuelve redundante.

Se presentan una serie de posibles aplicaciones de la nueva tecnología. Dado que permite producir un espectrograma completo en menos de una milésima de segundo, es ideal para medir la concentración de sustancias en el medio ambiente o en los escapes de las fábricas. Los gases de flujo rápido en entornos petroquímicos también se pueden analizar rápidamente, por ejemplo para monitorear y controlar los procesos de producción.