Et molekylært fingeraftryk ud over Nyquist-frekvensen

Ultrakorte pulser spiller en væsentlig rolle i spektroskopiske applikationer. Deres brede spektrale båndbredde muliggør samtidig karakterisering af prøven ved forskellige frekvenser, hvilket eliminerer behovet for gentagne målinger eller lasertuning. Desuden muliggør deres ekstreme tidsmæssige indespærring tidsmæssig isolering af prøvens respons fra den primære excitationsimpuls.

Dette svar, som bærer omfattende spektroskopisk information, varer fra snesevis af femtosekunder til nanosekunder (10 ^-15 til 10 ⁻⁹ sekunder) og undersøges almindeligvis af en kortere puls ved forskellige tidsforsinkelser. Når den kombineres med andre teknikker, såsom multidimensionel kohærent spektroskopi eller hyperspektral billeddannelse, letter ultrahurtig spektroskopi identifikation af ukendte bestanddele.

Ambitionen med realtidsmålinger står imidlertid over for forhindringer, primært på grund af den omfattende dataoptagelse, der kræves på tværs af det høje båndbreddespektrum for hver pixel, hvilket introducerer betydelige forsinkelser i datafangst, forlænger behandlingstiden og øger datavolumen.

Forskere har udviklet en teknik til at fremskynde spektroskopisk analyse. Kilian Scheffter, en ph.d.-studerende, der arbejder med Hanieh Fattahi, leder af "Femtosecond Fieldoscopy"-gruppen ved MPL, forklarer:"Molekylernes reaktion på ultrakorte excitationsimpulser er typisk sparsom i mange prøver, hvilket indebærer, at responsen kun forekommer ved specifikke frekvenser kendt som molekylære fingeraftryk."

"Ved strategisk randomisering af målepunkterne i tid kan en etableret tilgang kaldet komprimeret sensing effektivt rekonstruere signalet ved at bruge færre datapunkter end grænsen dikteret af Nyquist-kriteriet. Den største udfordring har dog været at ændre det tidsmæssige overlap af sonden. pulser, og femtosekund-excitationen pulserer tilfældigt."

"I samarbejde med vores partnere i Tyskland og Frankrig har vi med succes anvendt akustiske bølger til at modulere dette tidsmæssige overlap tilfældigt. Denne innovation udvider anvendelsen af ​​komprimeret sensing til spektroskopisk måling i realtid."

"Accelererende tidsdomænespektroskopi giver flere fordele, for eksempel ved at forenkle den etiketfri billeddannelse af skrøbelige prøver, miljøovervågning i realtid og udendørs diagnostik af giftige og farlige gasser og molekylær endoskopi," siger Dr. Hanieh Fattahi.

Værket er publiceret i tidsskriftet Ultrafast Science .

Flere oplysninger: Hanieh Fattahi et al., Compressed Sensing of Field-resolved Molecular Fingerprint Beyond the Nyquist Frequency, Ultrafast Science (2024). DOI:10.34133/ultrafastscience.0062

Leveret af Max Planck Society