Group udvikler teknik til at forme pulser af intens infrarødt lys

For at fange hurtige handlinger i et svagt oplyst miljø, en fotograf vil bruge kombinationen af ​​en hurtig lukkerhastighed og et hurtigt lysudbrud.

Laserfysikere anvender det samme princip - at fange en mikroskopisk begivenhed af kort varighed ved at ramme den med en hurtig puls af infrarødt lys. Selvfølgelig, mens den handling, en fotograf prøver at fange, kan vare et hundrededel af et sekund eller to, fysikerens mulighedsvindue kan vare et par femtosekunder (kvadrilliondeler af et sekund).

Men for at gøre en lyspuls kort nok til at fange, hvad en fysiker måske vil se - sig, effekten af ​​lysinduceret vibration på et molekyle i nethinden-du har brug for en lyskilde, der producerer en bred vifte af frekvenser. Og en gruppe ledet af Jeffrey Moses, adjunkt i anvendt og teknisk fysik, har udviklet en proces til at generere og forme intense midt-infrarøde (mid-IR) lysimpulser.

"Vi har evnen til at skabe denne meget bredbåndskilde til midt-IR-lys, der er intens, og vi har evnen til præcist at forme det, "sagde Moses, hvis gruppe udgav et papir i Natur fotonik , "Generering og multi-oktavformning af melleminfrarøde intense single-cycle pulser, "20. marts.

Peter Krogen, Ph.d. '16, nu forskningsassistent ved Massachusetts Institute of Technology, er hovedforfatter. Andre bidragydere omfattede doktorand Noah Flemens, medlem af Moses -gruppen.

Mid-IR bølgelængder er af særlig betydning for materialeforskere, kemikere, biologer og kondensaterede fysikere. For nylig, fremkomsten af ​​højpuls-energi og ultrakortvarighed mellem-IR-kilder har indvarslet en ny række ikke-lineære lys-stof-interaktioner, og etablering af mellem-IR-kilder, der ikke kun har en ekstrem båndbredde, men også en vilkårlig kontrol af pulsformen, er af stor interesse.

En metode til analyse af fænomener med kort varighed er pumpesonde-spektroskopi. Den første stråle af laserlys fungerer som "pumpen, "at generere en ønsket reaktion i et materiale, og den anden er "sonden, "bruges til at analysere reaktionen.

For at skabe lyspulser, der er korte nok til at fange disse begivenheder, lyset skal indeholde en lang række frekvenser inden for IR -spektret. "Jo flere frekvenser jeg har, jo kortere en puls jeg kan lave, "Sagde Moses.

Problemet, imidlertid, er, at ved at forme lyset til et specifikt formål, du mister båndbredde. For at overvinde det problem, Moses og hans gruppe udviklede en måde at skabe og forme et bredbånd, nær-IR-lyspuls og ændre dens "farve" (bølgefrekvens) til midten af ​​IR, samtidig med at båndbredden og formen bevares. Faktisk, den relative båndbredde for nær-IR-bølgen-et mål for, hvor kort en puls kan laves i forhold til den mindste opnåelige varighed ved den farve-øges effektivt, når den konverteres til en midt-IR-bølge.

Resultatet:pulser, der kun varer en enkelt cyklus af bølgeperioden, hvilket er meget tæt på det minimum, som naturen tillader.

"Når vi gennemgår denne proces, vi har båndbredde i nær-IR, der er mindre end en oktav, "Sagde Moses, "og vi ender med båndbredde i midten af ​​IR, der er mere end en oktav." I bølgelængder, en oktav er spredningen mellem en frekvens og den dobbelte af frekvensen.

En særlig applikation af interesse for gruppen er at spore måden elektronenergi strømmer i et system, såsom menneskesyn. Rhodopsin -molekyler i nethinden absorberer lys og ændrer derefter form - fra bøjet til lige - og det er denne udretning, der tjener til at sende et signal gennem synsnerven til hjernen.

"Ændringen i den elektroniske konfiguration af disse molekyler sker over snesevis af femtosekunder, "Moses sagde." Vi tror, ​​at vi har den rigtige lyskilde her for at få meget mere information om, hvad der foregår i løbet af den ultrakorte tidsperiode. "

Og hvad kan disse oplysninger fortælle en videnskabsmand? For én ting, denne proces er meget effektiv hos mennesker, men der er andre lignende biologiske processer - som teoretikere mener er reguleret af en lignende type struktur - som er meget ineffektive.

"Ved hjælp af dette værktøj, vi forsøger at udvikle en metode til at studere denne slags klasser af strukturer, der er ansvarlig for måden molekyler reagerer på lys, "Sagde Moses." Dette kunne hjælpe os med at forstå noget, som vi fremstiller og hjælpe os med at få det til at gøre, hvad det gør mere effektivt. "