In-situ-diagnostik af femtosekund-lasersondeimpulser til ultrahurtige billeddannelsesapplikationer

Ultrahurtig billeddannelse spiller en vigtig rolle i fysik og kemi for at undersøge femtosekund-dynamikken i uensartede prøver. Metoden er baseret på forståelse af fænomener induceret af en ultrakort laserpumpeimpuls ved hjælp af en ultrakort probeimpuls derefter. Fremkomsten af ​​meget vellykkede ultrahurtige billeddannelsesteknikker med en ekstrem høj billedhastighed er baseret på bølgelængde eller rumlig frekvenskodning. I en ny rapport nu Lys:Videnskab og applikationer , Chen Xie, Remi Meyer, og et team af forskere i Kina og Frankrig brugte en pumpe-induceret mikrotransplantationsmetode til at give detaljeret in situ karakterisering af en svag probepuls. Metoden er ikke-destruktiv og hurtig at udføre, og derfor kan in-situ probediagnostik gentages for at kalibrere eksperimentelle forhold. Teknikken vil tillade tidligere utilgængelig billeddannelse at blive gennemførlig på tværs af et felt af superhurtig videnskab på mikro- og nanoskala.

Superhurtig fysik og kemi

Konceptet med laserstofinteraktioner i ultrahurtig fysik og kemi er baseret på billeddannelse med høj rumlig opløsning og høj tidsmæssig opløsning. I dette arbejde, Xie og Meyer et al. beskrev en meget følsom in-situ diagnostik for svage probeimpulser for at løse problemet med ultrahurtig billeddannelse ved høj rumlig opløsning. Holdet udledte først det diffrakterede signal og præsenterede den optiske opsætning for derefter at demonstrere dens funktionalisering under enhver polarisationskonfiguration. Derefter hentede de eksperimentelt den absolutte pumpesondeforsinkelse og løste problemet med fjernelse af pulsfronttilt ved hjælp af et visualiseringsværktøj. For at opsætte eksperimentet, de dannede et to-bølge interferensfelt inde i en dielektrisk prøve fra en enkelt pumpestråle ved hjælp af en rumlig lysmodulator for at sikre synkroniseringen mellem de to pumpebølger. I den eksperimentelle opsætning, holdet brugte en titanium-safir-kvidrende pulsforstærker-laserkilde til at levere 50 femtosekundsimpulser ved 790 nm central bølgelængde til at udføre alle målinger ved at integrere signalet på tværs af 50 skud med en gentagelseshastighed på 1 KHz.

Et Kerr-baseret transient gitter, der er gyldigt for alle kombinationer af pumpesondepolariseringer

I dette arbejde, Xie og Meyer et al. viste, hvordan pumpe-induceret mikrogitter kan genereres ud fra den elektroniske Kerr-effekt - et fænomen, hvor brydningsindekset for et materiale ændres på grund af et påført elektrisk felt - for at give en detaljeret in-situ karakterisering af en svag probeimpuls. Forskerne validerede det målte diffrakterede signal og viste validiteten af ​​målingen for alle kombinationer af inputpumpe- og sondepolariseringer. De rapporterede først om valideringen af ​​teknikken, efterfulgt af optimering af sondepulsen. Derefter optimerede de varigheden af ​​sondepulsen for at karakterisere begge polarisationer og viste, hvordan metoden er meget nyttig til at detektere spektrale faseforskelle i den optiske vej af pumpen og sondestrålerne.

Rumlig indeslutning af synkroniseringen

Under forsøgene, Xie og Meyer et al. definerede synkroniseringskriteriet for pumpe- og probeimpulser for en præcis placering af fokus i prøven og lokaliserede interaktionsområdet mellem pumpen og sonden ned til titusvis af mikrometer. Den stærke lokalisering af eksperimentet tillod dem at genfinde effekten af ​​forskellen i gruppehastigheder på pumpe-sonde-synkroniseringen. Probeimpulsen kan generere en pulsfronttilt, som kan begrænse ultrahurtige billeddannelseseksperimenter. For at løse dette, Xie og Meyer et al. brugte en aberrationsfri prismekompressor ved at bruge to prismer, der var perfekt parallelle, selvom paralleliteten eksperimentelt kan afvige med flere milliradianer. Denne afvigelse har en dramatisk indvirkning på probepulsen. Teamet brugte derfor transient gitter til at tilbyde en ligetil visualisering af pulsfrontens hældning og løste det derefter effektivt ved nøjagtigt at justere paralleliteten mellem kompressorprismerne. Arbejdet viste fremragende overensstemmelse mellem eksperimenterne og simuleringerne. Den transiente gitterdiagnostik, der blev introduceret i dette arbejde, var nyttig til nøjagtigt at fjerne pulsfronthældningen selv for svage ændringer i prismekompressorens afvigelsesvinkle.

Outlook

På denne måde, Chen Xie, Remi Meyer og kolleger udtænkte en ekstremt lokaliseret in-situ diagnostisk metode for at muliggøre karakterisering og synkronisering af en svag probepuls med en pumpe med højere intensitet. Diagnosen er meget fleksibel til forskellige pumpe-probe-krydsningsgeometrier for at karakterisere probepulsen. Teknikken er også gyldig til en række pulsvarigheder og er relevant selv i nærvær af sfæriske aberrationer og bredt anvendelig på tværs af de fleste ultrahurtige billeddannelses- og pumpeprobe-eksperimenter. Resultaterne har forskellige anvendelser og kan være nyttige til at bestemme forbigående fænomener på mikronskala samt forstå laser-stof-interaktioner inden for kondenseret stof.

© 2021 Science X Network