O espalhamento Raman estimulado, observado pela primeira vez em 1962, tornou-se uma ferramenta versátil em diversos campos, como imagens biológicas, detecção de gases ambientais, caracterização de materiais e rastreamento de dinâmica molecular. A escolha de fontes de laser para moléculas ou materiais excitantes é crítica, pois determina a resolução espectral e a abordagem para obtenção do espectro Raman.



As técnicas tradicionais para espectroscopia de espalhamento Raman estimulado de alta resolução espectral envolvem a varredura do espectro passo a passo com pulsos de laser de banda estreita, limitando a velocidade de aquisição devido à inércia mecânica ou térmica. Em contraste, a sondagem paralela de vários comprimentos de onda com um pulso de excitação de picossegundos de banda estreita e um pulso de sonda de femtossegundos de banda larga introduz uma sobreposição de pulso temporal subótima, apresentando desafios como a supressão de sinais de fundo de mistura de quatro ondas não ressonantes.

Em uma publicação recente em Light:Science &Applications , uma equipe de cientistas liderada pelo Prof. Andrius Baltuška do Instituto de Fotônica da TU Wien, Áustria, e pelo Dr. Xinhua Xie da SwissFEL do Instituto Paul Scherrer, Suíça, em colaboração com o Prof. na Texas A&M University, EUA, apresentam uma abordagem inovadora para espectroscopia de espalhamento Raman estimulado.

Eles utilizam rajadas de pulso de femtosegundo amplificadas e controladas por fase de deslocamento para obter resolução hiperespectral e aquisição espectral de alta velocidade. Validada pela resolução das equações não lineares acopladas de Schrödinger e pela caracterização numérica em nitrogênio molecular, esta técnica oferece alta resolução espectral e varredura livre de movimento.

Com suas aplicações potenciais em detecção de gases, análise química, detecção de poluição ambiental, caracterização de isótopos e rastreamento de dinâmica molecular, este método de espalhamento Raman estimulado representa um salto significativo nas capacidades espectroscópicas.

O primeiro autor da publicação, Dr. Hongtao Hu do Instituto de Fotônica da TU Wien, afirmou:"A explosão de pulso de femtosegundo amplificada necessária para este método, conforme relatado anteriormente em nosso grupo, pode ser gerada em um oscilador mestre e depois amplificada através de um amplificador regenerativo operado em modo especial."

Na Figura 1 (a), são representadas as formas temporais do sinal e das rajadas intermediárias após o amplificador, marcadas como rajada de bomba e rajada de Stokes, respectivamente, no processo de espalhamento Raman estimulado. A separação temporal entre pulsos pode ser controlada pela diferença no comprimento da cavidade entre o amplificador regenerativo e as viagens de ida e volta do oscilador mestre. A fase de deslocamento que denota a diferença de fase entre dois pulsos vizinhos no burst é manipulada por um modulador acústico-óptico colocado entre o oscilador mestre e o amplificador regenerativo.

Em um amplificador óptico paramétrico bem projetado, as fases do sinal e dos pulsos intermediários podem ser conjugadas. Assim, manipulando com precisão a fase da rajada de laser fundamental que entra no amplificador paramétrico óptico, os modos espectrais mudam elegantemente em direções opostas do sinal e dos pseudo-pentes intermediários, ilustrados na Figura 1 (b).

Como resultado, as condições de espalhamento Raman estimulado por ressonância ligada e desligada, representadas na Figura 1 (c) e (d), podem ser simultaneamente satisfeitas ou perdidas por múltiplos pseudomodos, dependendo da fase de entrada dos pulsos carregados em o amplificador regenerativo.

Sob fases de deslocamento ressonante, a energia do pulso transita efetivamente da explosão da bomba para a explosão de Stokes, induzindo suas respectivas perdas e ganhos. Este procedimento intrincado representa a essência da varredura sem movimento, que é a chave para alcançar o espectro Raman e o princípio fundamental deste trabalho inovador.

Seus resultados numéricos, por um lado, revelam a relação entre resolução espectral e duração do burst; a resolução espectral é inversamente proporcional ao produto da duração do burst e do número de pulsos no burst. Por exemplo, alcançar uma resolução espectral de 0,17 cm ^-1 torna-se viável com um burst de 100 pulsos e uma duração de burst de 2 picossegundos.

Além disso, os resultados elucidam o padrão de crescimento associado ao número crescente de pulsos no burst – uma combinação de crescimento linear e quadrático – garantindo uma alta relação sinal-ruído para o espectro Raman.

A nova abordagem em espalhamento Raman estimulado apresentada neste trabalho promete aplicações em detecção de gases, análise química e rastreamento de dinâmica molecular. O uso inovador de rajadas de pulso de femtossegundos amplificadas e controladas por fase de deslocamento garante resolução hiperespectral e rápida aquisição espectral. Este avanço não só significa um salto significativo nas capacidades espectroscópicas, mas também desperta a antecipação do impacto transformador que poderia ter em várias disciplinas científicas.

Mais informações: Hongtao Hu et al, Resolução hiperespectral estimulada espectroscopia Raman com rajadas de pulso fs amplificadas, Luz:Ciência e Aplicações (2024). DOI:10.1038/s41377-023-01367-0
Informações do diário: Luz:Ciência e Aplicações

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