Conceito e configuração experimental - (a) Conceito da grade transitória induzida pelo pulso da bomba infravermelha moldada em um dielétrico transparente. O sinal da sonda difratado pela grade transitória é coletado no campo distante. (b) A grade transitória induzida por Kerr tem um período Λ e é inclinada em relação ao eixo da sonda por um ângulo α. O comprimento da grade transitória é de algumas dezenas de mícrons, enquanto a amostra pode ser muito mais espessa. c Projeto de configuração experimental. (d) Vista ampliada da configuração na caixa tracejada de (c) para mostrar os feixes de interação e a configuração de imagem. Na região de interação, os feixes estão em configuração de onda plana. Eles são, Portanto, focado no plano focal posterior da objetiva do microscópio. A lente do relé faz imagens do plano focal posterior da câmera com um fator de ampliação de 1. A distância focal das objetivas do microscópio é de 3,6 mm. Crédito:Light:Science &Applications, 10.1038 / s41377-021-00562-1
A imagem ultrarrápida desempenha um papel importante na física e na química para investigar a dinâmica do femtossegundo de amostras não uniformes. O método é baseado na compreensão de fenômenos induzidos por um pulso de bomba de laser ultracurto usando um pulso de sonda ultracurto depois disso. O surgimento de técnicas de imagem ultrarrápidas muito bem-sucedidas com uma taxa de quadros extremamente alta é baseado no comprimento de onda ou codificação de frequência espacial. Em um novo relatório agora em Light:Ciência e Aplicações , Chen Xie, Remi Meyer, e uma equipe de cientistas na China e na França usou um método de microenxertia induzida por bomba para fornecer caracterização detalhada in situ de um pulso de sonda fraco. O método é não destrutivo e rápido de executar e, portanto, o diagnóstico da sonda in situ pode ser repetido para calibrar as condições experimentais. A técnica permitirá que imagens anteriormente inacessíveis se tornem viáveis em um campo da ciência super-rápida em micro e nanoescala.
Física e química super-rápidas
O conceito de interações de matéria do laser em física e química ultrarrápidas é baseado em imagens com alta resolução espacial e alta resolução temporal. Nesse trabalho, Xie e Meyer et al. descreveu um diagnóstico in-situ altamente sensível para pulsos de sonda fracos para resolver o problema de imagem ultrarrápida em alta resolução espacial. A equipe primeiro derivou o sinal difratado e apresentou a configuração óptica para então demonstrar sua funcionalização sob qualquer configuração de polarização. Em seguida, eles recuperaram experimentalmente o atraso absoluto da sonda da bomba e resolveram o problema da remoção da inclinação frontal do pulso usando uma ferramenta de visualização. Para configurar o experimento, eles formaram um campo de interferência de duas ondas dentro de uma amostra dielétrica de um único feixe de bomba usando um modulador de luz espacial para garantir a sincronização entre as duas ondas da bomba. Na configuração experimental, a equipe usou uma fonte de laser amplificador de pulso de safira de titânio para fornecer 50 pulsos de femtossegundos em comprimento de onda central de 790 nm para realizar todas as medições integrando o sinal em 50 disparos a uma taxa de repetição de 1 KHz.
(a) Sinal de correlação cruzada de pico em função da intensidade da bomba. As cruzes mostram dados experimentais e um ajuste quadrático é mostrado como linha sólida. (inserção) Sinal de correlação cruzada em função do atraso da bomba-sonda para diferentes intensidades de bomba, mostrando que a posição e a forma do pico são invariáveis com a potência da bomba. (b) Sinal de correlação cruzada. Sinal de correlação cruzada em função do atraso bomba-sonda para as quatro combinações de orientações de polarização da bomba e da sonda. Crédito:Light:Science &Applications, 10.1038 / s41377-021-00562-1
Uma grade transitória baseada em Kerr válida para todas as combinações de polarizações bomba-sonda
Nesse trabalho, Xie e Meyer et al. mostraram como a micro-grade induzida por bomba pode ser gerada a partir do efeito Kerr eletrônico - um fenômeno onde o índice de refração de um material muda devido a um campo elétrico aplicado - para fornecer uma caracterização in situ detalhada de um pulso de sonda fraco. Os cientistas validaram o sinal difratado medido e mostraram a validade da medição para todas as combinações de bomba de entrada e polarizações de sonda. Eles relataram pela primeira vez sobre a validação da técnica, seguido pela otimização do pulso da sonda. Em seguida, eles otimizaram a duração do pulso de sonda para caracterizar ambas as polarizações e mostraram como o método é muito útil para detectar diferenças de fase espectrais no caminho óptico da bomba e dos feixes de sonda.
Alteração do atraso da bomba-sonda pela tradução da amostra. (a) Evolução do sinal TG em função da posição da amostra na safira (de 0 a 200 μm). (b) Baricentro do sinal TG em função do deslocamento da amostra; os dados experimentais estão em excelente concordância com o modelo. A barra de erro é devido à precisão da determinação do baricentro, ligada à precisão de posicionamento da linha de atraso. Crédito:Light:Science &Applications, 10.1038 / s41377-021-00562-1
Visualização da dispersão angular. (a) Conceito da difração de um pulso de sonda disperso angularmente pela grade transiente. A grade transiente efetivamente faz a amostragem do pulso chirped no retardo da bomba-sonda e difrata o subpulso correspondente na ROI (região de interesse) na primeira ordem de difração. (b) Resultado experimental típico. Sinal difratado em função do atraso e do ângulo de desvio na direção y. Crédito:Light:Science &Applications, 10.1038 / s41377-021-00562-1
Confinamento espacial da sincronização
Durante os experimentos, Xie e Meyer et al. definiu o critério de sincronização dos pulsos da bomba e da sonda para uma localização precisa do foco na amostra e localizou a região de interação entre a bomba e a sonda em dezenas de micrômetros. A forte localização do experimento permitiu-lhes recuperar o efeito da diferença nas velocidades do grupo na sincronização bomba-sonda. O pulso da sonda pode gerar uma inclinação frontal do pulso, o que pode limitar os experimentos de imagem ultrarrápidos. Para resolver isso, Xie e Meyer et al. usou um compressor de prisma livre de aberrações usando dois prismas que eram perfeitamente paralelos, embora o paralelismo possa desviar experimentalmente por vários miliradianos. Esse desvio tem um impacto dramático no pulso da sonda. A equipe, portanto, usou grade transitória para oferecer uma visualização direta da inclinação frontal do pulso e, em seguida, resolveu efetivamente ajustando com precisão o paralelismo entre os prismas do compressor. O trabalho mostrou excelente concordância entre os experimentos e as simulações. O diagnóstico de grade transiente apresentado neste trabalho foi útil para remover com precisão a inclinação frontal do pulso, mesmo para mudanças tênues no ângulo de desvio do compressor do prisma.
Correlação cruzada de pulsos com dispersão angular e temporal. Na mesa, cada traço mostra a eficiência de difração em unidades arbitrárias em função do atraso (eixo vertical) e direção espacial ky (eixo horizontal, ky =[-1,03; 1,03] μm − 1). A tabela à esquerda mostra os resultados experimentais para 15 combinações diferentes de chirp temporal ϕ2 e dispersão angular. A dispersão angular foi caracterizada numericamente a partir da incompatibilidade do ângulo do prisma. O valor da fase de segunda ordem ϕ2 foi caracterizado a partir das inserções do prisma no compressor de prisma (primeira linha 3 mm, segunda linha 2 mm, e última linha 0 mm. O último é a posição para compressão de pulso ideal). Para cada traço, a escala do eixo horizontal foi convertida em comprimento de onda usando o coeficiente de dispersão angular. Quando a dispersão angular é removida (coluna central), todos os comprimentos de onda têm a mesma direção ky. Nesse caso, a largura lateral do ponto é simplesmente determinada pelo tamanho do feixe gaussiano. Para mostrar a consistência dos resultados, a coluna mais à direita mostra três casos (A, B, C) onde a fórmula analítica para a eficiência de difração da rede transiente foi integrada usando os parâmetros extraídos das simulações ZEMAX do compressor de prisma desalinhado. Crédito:Light:Science &Applications, 10.1038 / s41377-021-00562-1
Panorama
Desta maneira, Chen Xie, Remi Meyer e colegas desenvolveram um método de diagnóstico in situ extremamente localizado para permitir a caracterização e sincronização de um pulso de sonda fraco com uma bomba de maior intensidade. O diagnóstico é altamente flexível para diversas geometrias de cruzamento bomba-sonda para caracterizar o pulso da sonda. A técnica também é válida para uma variedade de durações de pulso e é relevante mesmo na presença de aberrações esféricas e amplamente aplicável na maioria das imagens ultrarrápidas e experimentos com bomba-sonda. Os resultados têm diversas aplicações e podem ser úteis para determinar fenômenos transitórios na escala de mícron, bem como entender as interações laser-matéria dentro da matéria condensada.
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