Concepto y configuración experimental - (a) Concepto de la rejilla transitoria inducida por el pulso de la bomba de infrarrojos con forma en un dieléctrico transparente. La señal de la sonda difractada por la rejilla transitoria se recoge en el campo lejano. (b) La rejilla transitoria inducida por Kerr tiene un período Λ y está inclinada con respecto al eje de la sonda en un ángulo α. La longitud de la rejilla transitoria es de unas pocas decenas de micrones, mientras que la muestra puede ser mucho más gruesa. c Diseño de configuración experimental. (d) Vista ampliada de la configuración en el cuadro punteado de (c) para mostrar los haces que interactúan y la configuración de imágenes. En la región de interacción, los haces están en configuración de onda plana. Son, por lo tanto, enfocado en el plano focal posterior del objetivo del microscopio. La lente de relevo toma imágenes del plano focal posterior de la cámara con un factor de aumento de 1. La distancia focal de los objetivos del microscopio es de 3,6 mm. Crédito:Light:Science &Applications, 10.1038 / s41377-021-00562-1
Las imágenes ultrarrápidas juegan un papel importante en física y química para investigar la dinámica de femtosegundos de muestras no uniformes. El método se basa en comprender los fenómenos inducidos por un pulso de bomba láser ultracorto utilizando un pulso de sonda ultracorto a partir de entonces. La aparición de técnicas de imágenes ultrarrápidas de gran éxito con una frecuencia de imagen extremadamente alta se basa en la codificación de la longitud de onda o de la frecuencia espacial. En un nuevo informe ahora en Luz:ciencia y aplicaciones , Chen Xie, Remi Meyer, y un equipo de científicos en China y Francia utilizó un método de microinjerto inducido por bomba para proporcionar una caracterización detallada in situ de un pulso de sonda débil. El método es no destructivo y rápido de realizar y, por lo tanto, el diagnóstico de la sonda in situ se puede repetir para calibrar las condiciones experimentales. La técnica permitirá que las imágenes previamente inaccesibles se vuelvan factibles en un campo de la ciencia ultrarrápida a micro y nanoescala.
Física y química ultrarrápidas
El concepto de interacciones de materia láser en física y química ultrarrápidas se basa en imágenes con alta resolución espacial y alta resolución temporal. En este trabajo, Xie y Meyer et al. describieron un diagnóstico in situ altamente sensible para pulsos de sonda débiles para resolver el problema de la obtención de imágenes ultrarrápidas a alta resolución espacial. El equipo primero derivó la señal difractada y presentó la configuración óptica para luego demostrar su funcionalización bajo cualquier configuración de polarización. Luego, recuperaron experimentalmente el retraso absoluto de la sonda de la bomba y resolvieron el problema de la eliminación de la inclinación frontal del pulso utilizando una herramienta de visualización. Para configurar el experimento, formaron un campo de interferencia de dos ondas dentro de una muestra dieléctrica de un solo haz de bombeo usando un modulador de luz espacial para asegurar la sincronización entre las dos ondas de bombeo. En la configuración experimental, El equipo utilizó una fuente láser amplificadora de pulsos de titanio-zafiro para entregar pulsos de 50 femtosegundos a una longitud de onda central de 790 nm para realizar todas las mediciones integrando la señal en 50 disparos a una tasa de repetición de 1 KHz.
(a) Señal de pico de correlación cruzada en función de la intensidad de la bomba. Las cruces muestran datos experimentales y un ajuste cuadrático se muestra como línea continua. (recuadro) Señal de correlación cruzada en función del retardo de la sonda-bomba para diferentes intensidades de bomba, que muestran la posición y la forma del pico son invariantes con la potencia de la bomba. (b) Señal de correlación cruzada. Señal de correlación cruzada en función del retardo de la sonda y la bomba para las cuatro combinaciones de orientaciones de polarización de la sonda y la bomba. Crédito:Light:Science &Applications, 10.1038 / s41377-021-00562-1
Una rejilla de transitorios basada en Kerr válida para todas las combinaciones de polarizaciones bomba-sonda
En este trabajo, Xie y Meyer et al. mostró cómo se pueden generar micro-rejillas inducidas por bombas a partir del efecto electrónico Kerr, un fenómeno en el que el índice de refracción de un material cambia debido a un campo eléctrico aplicado, para proporcionar una caracterización detallada in situ de un pulso de sonda débil. Los científicos validaron la señal difractada medida y demostraron la validez de la medición para todas las combinaciones de polarizaciones de la bomba de entrada y la sonda. Primero informaron sobre la validación de la técnica, seguido de la optimización del pulso de la sonda. Luego optimizaron la duración del pulso de la sonda para caracterizar ambas polarizaciones y mostraron cómo el método es muy útil para detectar diferencias de fase espectral en la trayectoria óptica de los haces de la bomba y la sonda.
Cambio de retardo de bomba-sonda por traducción de muestra. (a) Evolución de la señal TG en función de la posición de la muestra en zafiro (de 0 a 200 μm). (b) Baricentro de la señal TG en función del desplazamiento de la muestra; los datos experimentales están en excelente acuerdo con el modelo. La barra de error se debe a la precisión de determinación del baricentro, vinculado a la precisión de posicionamiento de la línea de retardo. Crédito:Light:Science &Applications, 10.1038 / s41377-021-00562-1
Visualización de dispersión angular. (a) Concepto de difracción de un pulso de sonda disperso angularmente por la rejilla transitoria. La rejilla transitoria muestrea eficazmente el pulso chirrido en el retardo de la bomba-sonda y difracta el subpulso correspondiente en la ROI (región de interés) en el primer orden de difracción. (b) Resultado experimental típico. Señal difractada en función del retardo y el ángulo de desviación en la dirección y. Crédito:Light:Science &Applications, 10.1038 / s41377-021-00562-1
Confinamiento espacial de la sincronización
Durante los experimentos, Xie y Meyer et al. definió el criterio de sincronización de los pulsos de la bomba y la sonda para una ubicación precisa del foco en la muestra y localizó la región de interacción entre la bomba y la sonda hasta decenas de micrómetros. La fuerte localización del experimento les permitió recuperar el efecto de la diferencia en las velocidades de los grupos en la sincronización de la bomba y la sonda. El pulso de la sonda puede generar una inclinación frontal del pulso, lo que puede limitar los experimentos de imágenes ultrarrápidas. Para solucionar esto, Xie y Meyer et al. usó un compresor de prisma sin aberraciones usando dos prismas que eran perfectamente paralelos, aunque el paralelismo puede desviarse experimentalmente en varios milirradianes. Esta desviación tiene un impacto dramático en el pulso de la sonda. Por lo tanto, el equipo utilizó rejillas transitorias para ofrecer una visualización sencilla de la inclinación frontal del pulso y luego la resolvió de manera efectiva ajustando con precisión el paralelismo entre los prismas del compresor. El trabajo mostró una excelente concordancia entre los experimentos y las simulaciones. El diagnóstico de rejilla transitoria presentado en este trabajo fue útil para eliminar con precisión la inclinación frontal del pulso incluso para cambios débiles en el ángulo de desviación del compresor de prisma.
Correlación cruzada de pulsos con dispersión angular y temporal. En la mesa, cada traza muestra la eficiencia de difracción en unidades arbitrarias en función del retardo (eje vertical) y la dirección espacial ky (eje horizontal, ky =[−1,03; 1,03] µm − 1). La tabla de la izquierda muestra resultados experimentales para 15 combinaciones diferentes de chirp temporal ϕ2 y dispersión angular. La dispersión angular se ha caracterizado numéricamente a partir del desajuste del ángulo del prisma. El valor de la fase de segundo orden ϕ2 se ha caracterizado por las inserciones del prisma en el compresor de prisma (primera fila 3 mm, segunda fila 2 mm, y última fila 0 mm. Esta última es la posición para una compresión óptima del pulso). Por cada rastro, la escala del eje horizontal se ha convertido a longitud de onda utilizando el coeficiente de dispersión angular. Cuando se elimina la dispersión angular (columna central), todas las longitudes de onda tienen la misma dirección ky. En este caso, el ancho lateral del punto se determina simplemente por el tamaño del haz de Gauss. Para mostrar la consistencia de los resultados, la columna de la derecha muestra tres casos (A, B, C) donde se ha integrado la fórmula analítica para la eficiencia de difracción de la rejilla transitoria utilizando los parámetros extraídos de las simulaciones ZEMAX del compresor de prisma desalineado. Crédito:Light:Science &Applications, 10.1038 / s41377-021-00562-1
panorama
De este modo, Chen Xie, Remi Meyer y sus colegas idearon un método de diagnóstico in situ extremadamente localizado para permitir la caracterización y sincronización de un pulso de sonda débil con una bomba de mayor intensidad. El diagnóstico es muy flexible para diversas geometrías de cruce de la sonda y la bomba para caracterizar el pulso de la sonda. La técnica también es válida para una variedad de duraciones de pulso y es relevante incluso en presencia de aberraciones esféricas y ampliamente aplicable en la mayoría de los experimentos de imagen ultrarrápida y sonda de bomba. Los resultados tienen diversas aplicaciones y pueden ser útiles para determinar fenómenos transitorios a escala micrométrica, así como para comprender las interacciones entre el láser y la materia dentro de la materia condensada.
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