Koncept och experimentell uppställning - (a) Koncept av det transienta gittret som induceras av den formade infraröda pumppulsen i ett transparent dielektrikum. Sondsignalen som diffrakteras av det transienta gittret samlas in i fjärrfältet. (b) Det Kerr-inducerade transienta gittret har en period Λ och lutar i förhållande till sondens axel med en vinkel α. Längden på det transienta gittret är några tiotals mikron medan provet kan vara mycket tjockare. c Experimentell installationsdesign. (d) Förstorad vy av uppställningen i den streckade rutan i (c) för att visa de interagerande strålarna och bildkonfigurationen. I interaktionsregionen, strålarna är i planvågskonfiguration. Dom är, därför, fokuserad i det bakre fokalplanet av mikroskopobjektivet. Relälinsen avbildar det bakre fokalplanet på kameran med en förstoringsfaktor på 1. Mikroskopobjektivens brännvidd är 3,6 mm. Kredit:Light:Science &Applications, 10.1038/s41377-021-00562-1
Ultrasnabb avbildning spelar en viktig roll i fysik och kemi för att undersöka femtosekunddynamiken hos olikformiga prover. Metoden bygger på att förstå fenomen inducerade av en ultrakort laserpumppuls med hjälp av en ultrakort sondpuls därefter. Framväxten av mycket framgångsrika ultrasnabba avbildningstekniker med extremt hög bildhastighet är baserad på våglängds- eller rumsfrekvenskodning. I en ny rapport nu in Ljus:Vetenskap och tillämpningar , Chen Xie, Remi Meyer, och ett team av forskare i Kina och Frankrike använde en pumpinducerad mikrotransplantationsmetod för att ge detaljerad in situ karakterisering av en svag sondpuls. Metoden är oförstörande och snabb att utföra och därför kan in-situ-probdiagnostiken upprepas för att kalibrera experimentella förhållanden. Tekniken kommer att tillåta tidigare otillgänglig avbildning att bli genomförbar inom ett område av supersnabb vetenskap på mikro- och nanoskala.
Supersnabb fysik och kemi
Konceptet med lasermateriainteraktioner inom ultrasnabb fysik och kemi är baserat på avbildning med hög rumslig upplösning och hög tidsupplösning. I det här arbetet, Xie och Meyer et al. beskrev en mycket känslig in-situ diagnostik för svaga sondpulser för att lösa problemet med ultrasnabb avbildning med hög rumslig upplösning. Teamet härledde först den diffrakterade signalen och presenterade den optiska inställningen för att sedan demonstrera dess funktionalisering under valfri polarisationskonfiguration. Sedan hämtade de experimentellt den absoluta pumpsondsfördröjningen och löste problemet med att ta bort pulsfrontens lutning med hjälp av ett visualiseringsverktyg. För att ställa in experimentet, de bildade ett tvåvågsinterferensfält inuti ett dielektriskt prov från en enda pumpstråle med hjälp av en rumslig ljusmodulator för att säkerställa synkroniseringen mellan de två pumpvågorna. I experimentuppställningen, teamet använde en titan-safir pulserande laserkälla för att leverera 50 femtosekundspulser vid 790 nm central våglängd för att utföra alla mätningar genom att integrera signalen över 50 skott med en repetitionshastighet på 1 KHz.
(a) Toppkorskorrelationssignal som en funktion av pumpens intensitet. Kors visar experimentella data och en kvadratisk passning visas som heldragen linje. (infälld) Korskorrelationssignal som en funktion av pump-sondfördröjning för olika pumpintensiteter, som visar toppläget och formen är oföränderliga med pumpeffekten. (b) Korskorrelationssignal. Korskorrelationssignal som en funktion av pump–sondfördröjning för de fyra kombinationerna av pump- och sondpolarisationsorientering. Kredit:Light:Science &Applications, 10.1038/s41377-021-00562-1
Ett Kerr-baserat transientgitter som är giltigt för alla kombinationer av pump-sondpolarisationer
I det här arbetet, Xie och Meyer et al. visade hur pumpinducerat mikrogitter kan genereras från den elektroniska Kerr-effekten – ett fenomen där ett materials brytningsindex förändras på grund av ett pålagt elektriskt fält – för att ge en detaljerad in-situ karakterisering av en svag sondpuls. Forskarna validerade den uppmätta diffrakterade signalen och visade mätningens giltighet för alla kombinationer av ingångspump och sondpolarisationer. De rapporterade först om valideringen av tekniken, följt av optimering av sondpulsen. Sedan optimerade de sondpulsens varaktighet för att karakterisera båda polarisationerna och visade hur metoden är mycket användbar för att detektera spektrala fasskillnader i den optiska vägen för pumpen och sondstrålar.
Ändring av pumpsondsfördröjning genom översättning av prov. (a) Utveckling av TG-signalen som en funktion av provets position i safir (från 0 till 200 μm). (b) Barycentrum för TG-signal som en funktion av provförskjutning; experimentella data överensstämmer utmärkt med modellen. Felfältet beror på bestämningsnoggrannheten för barycenter, kopplat till positioneringsnoggrannheten för fördröjningslinjen. Kredit:Light:Science &Applications, 10.1038/s41377-021-00562-1
Visualisering av vinkelspridning. (a) Koncept för diffraktionen av en vinkeldispergerad sondpuls av det transienta gittret. Det transienta gittret samplar effektivt den kvittrade pulsen vid pump-prob-fördröjningen och diffrakterar motsvarande subpuls på ROI (intressant område) i den första ordningen av diffraktion. (b) Typiskt experimentellt resultat. Diffrakterad signal som funktion av fördröjning och avvikelsevinkel i y-riktning. Kredit:Light:Science &Applications, 10.1038/s41377-021-00562-1
Rumslig inneslutning av synkroniseringen
Under experimenten, Xie och Meyer et al. definierade synkroniseringskriteriet för pumpen och sondpulserna för en exakt placering av fokus i provet och lokaliserade interaktionsområdet mellan pumpen och sonden ner till tiotals mikrometer. Den starka lokaliseringen av experimentet gjorde det möjligt för dem att hämta effekten av skillnaden i grupphastigheter på pump-sondsynkroniseringen. Sondpulsen kan generera en pulsfrontlutning, vilket kan begränsa ultrasnabba avbildningsexperiment. För att lösa detta, Xie och Meyer et al. använde en aberrationsfri prismakompressor genom att använda två prismor som var perfekt parallella, även om parallelliteten experimentellt kan avvika med flera milliradianer. Denna avvikelse har en dramatisk inverkan på sondens puls. Teamet använde därför transientgitter för att erbjuda en enkel visualisering av pulsens frontlutning och löste det sedan effektivt genom att noggrant justera parallelliteten mellan kompressorprismorna. Arbetet visade utmärkt överensstämmelse mellan experimenten och simuleringarna. Den transienta gitterdiagnostiken som introducerades i detta arbete var till hjälp för att exakt ta bort pulsfrontens lutning även för svaga förändringar i prismakompressorns avvikelsevinkel.
Korskorrelation av pulser med vinkel- och temporal dispersion. I bordet, varje spår visar diffraktionseffektiviteten i godtyckliga enheter som en funktion av fördröjning (vertikal axel) och rumslig riktning ky (horisontell axel, ky = [−1,03; 1,03] μm−1). Den vänstra tabellen visar experimentella resultat för 15 olika kombinationer av temporal chirp ϕ2 och vinkeldispersion. Vinkeldispersionen har karakteriserats numeriskt från prismavinkelfelanpassningen. Värdet på andra ordningens fas ϕ2 har karakteriserats från prismainsättningarna i prismakompressorn (första raden 3 mm, andra raden 2 mm, och sista raden 0 mm. Det senare är läget för optimal pulskompression). För varje spår, den horisontella axelskalan har omvandlats till våglängd med hjälp av vinkeldispersionskoefficienten. När vinkeldispersionen avlägsnas (central kolumn), alla våglängder har samma riktning ky. I detta fall, fläckens laterala bredd bestäms helt enkelt av den gaussiska strålens storlek. För att visa konsekvensen i resultaten, kolumnen längst till höger visar tre fall (A, B, C) där analytisk formel för diffraktionseffektiviteten för det transienta gittret har integrerats med hjälp av parametrarna extraherade från ZEMAX-simuleringarna av den felinriktade prismakompressorn. Kredit:Light:Science &Applications, 10.1038/s41377-021-00562-1
Syn
På det här sättet, Chen Xie, Remi Meyer och kollegor utarbetade en extremt lokaliserad in-situ diagnostisk metod för att möjliggöra karakterisering och synkronisering av en svag sondpuls med en pump med högre intensitet. Diagnostiken är mycket flexibel för olika pump-sond-korsande geometrier för att karakterisera sondpulsen. Tekniken är också giltig för en mängd olika pulslängder och är relevant även i närvaro av sfäriska aberrationer och allmänt tillämpbar över de flesta ultrasnabb avbildnings- och pumpsondsexperiment. Resultaten har olika tillämpningar och kan vara användbara för att fastställa transienta fenomen i mikronskala samt förstå interaktioner mellan laser och materia inom kondenserad materia.
© 2021 Science X Network
