La dispersión Raman estimulada, observada por primera vez en 1962, se ha convertido en una herramienta versátil en diversos campos, como la obtención de imágenes biológicas, la detección de gases ambientales, la caracterización de materiales y el seguimiento de la dinámica molecular. La elección de las fuentes láser para excitar moléculas o materiales es fundamental, ya que determina la resolución espectral y el enfoque para obtener el espectro Raman.
Las técnicas tradicionales para la espectroscopía de dispersión Raman estimulada de alta resolución espectral implican escanear el espectro paso a paso con pulsos láser de banda estrecha, lo que limita la velocidad de adquisición debido a la inercia mecánica o térmica. Por el contrario, el sondeo paralelo de múltiples longitudes de onda con un pulso de excitación de picosegundos de banda estrecha y un pulso de sonda de femtosegundos de banda ancha introduce una superposición de pulso temporal subóptima, lo que presenta desafíos como la supresión de señales de fondo de mezcla de cuatro ondas no resonantes.
En una publicación reciente en Light:Science &Applications , un equipo de científicos, dirigido por el Prof. Andrius Baltuška del Instituto de Fotónica de TU Wien, Austria, y el Dr. Xinhua Xie de SwissFEL en el Instituto Paul Scherrer, Suiza, en colaboración con el Prof. Alexei Zheltikov del Departamento de Física y Astronomía en la Universidad Texas A&M, EE. UU., presentan un enfoque innovador para la espectroscopia de dispersión Raman estimulada.
Utilizan ráfagas de pulsos de femtosegundos amplificadas y controladas con fase de compensación para lograr una resolución hiperespectral y una adquisición espectral de alta velocidad. Validada mediante la resolución de las ecuaciones de Schrödinger no lineales acopladas y la caracterización numérica en nitrógeno molecular, esta técnica ofrece alta resolución espectral y escaneo sin movimiento.
Con sus posibles aplicaciones en detección de gases, análisis químico, detección de contaminación ambiental, caracterización de isótopos y seguimiento de dinámica molecular, este método de dispersión Raman estimulada representa un importante avance en las capacidades espectroscópicas.
El primer autor de la publicación, el Dr. Hongtao Hu del Instituto de Fotónica de la Universidad Técnica de Viena, afirmó:"La ráfaga de pulso de femtosegundo amplificada necesaria para este método, como informó anteriormente nuestro grupo, puede generarse en un oscilador maestro y luego amplificarse a través de un amplificador regenerativo operado en un modo especial."
En la Figura 1 (a), se representan las formas temporales de la señal y las ráfagas inactivas después del amplificador, marcadas como ráfaga de bomba y ráfaga de Stokes, respectivamente, en el proceso de dispersión Raman estimulado. La separación temporal entre pulsos se puede controlar mediante la diferencia de longitud de la cavidad entre los viajes de ida y vuelta del amplificador regenerativo y del oscilador maestro. La fase de compensación que denota la diferencia de fase entre dos pulsos vecinos en la ráfaga es manipulada por un modulador acústico-óptico colocado entre el oscilador maestro y el amplificador regenerativo.
En un amplificador paramétrico óptico bien diseñado, las fases de la señal y los pulsos inactivos se pueden conjugar. Por lo tanto, al manipular con precisión la fase de la ráfaga láser fundamental que ingresa al amplificador paramétrico óptico, los modos espectrales se desplazan elegantemente en direcciones opuestas a la señal y a los pseudopeines inactivos, como se ilustra en la Figura 1 (b).
Como resultado, las condiciones de dispersión Raman estimuladas con y sin resonancia, representadas en las Figuras 1 (c) y (d), pueden satisfacerse o perderse simultáneamente mediante múltiples pseudomodos, dependiendo de la fase de entrada de los pulsos cargados en el amplificador regenerativo.
Bajo fases de compensación resonante, la energía del pulso pasa efectivamente del estallido de la bomba al estallido de Stokes, induciendo sus respectivas pérdidas y ganancias. Este complejo procedimiento representa la esencia del escaneo sin movimiento, que es la clave para lograr el espectro Raman y el principio fundamental de este trabajo innovador.
Sus resultados numéricos, por un lado, revelan la relación entre resolución espectral y duración de la ráfaga; la resolución espectral es inversamente proporcional al producto de la duración de la ráfaga y el número de pulsos en la ráfaga. Por ejemplo, lograr una resolución espectral de 0,17 cm -1 se vuelve factible con una ráfaga de 100 pulsos y una duración de ráfaga de 2 picosegundos.
Además, los resultados aclaran el patrón de crecimiento asociado con el creciente número de pulsos en la ráfaga (una combinación de crecimiento lineal y cuadrático), lo que garantiza una alta relación señal-ruido para el espectro Raman.
El novedoso enfoque de dispersión Raman estimulada presentado en este trabajo promete aplicaciones en detección de gases, análisis químico y seguimiento de dinámica molecular. El uso innovador de ráfagas de pulsos de femtosegundos amplificadas y controladas con fase de compensación garantiza una resolución hiperespectral y una adquisición espectral rápida. Este avance no solo significa un salto significativo en las capacidades espectroscópicas, sino que también genera anticipación por el impacto transformador que podría tener en varias disciplinas científicas.
Más información: Hongtao Hu et al, Espectroscopía Raman estimulada por resolución hiperespectral con ráfagas de pulso fs amplificadas, Luz:ciencia y aplicaciones (2024). DOI:10.1038/s41377-023-01367-0
Información de la revista: Luz:ciencia y aplicaciones
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