Escaneo de fase de interferencia intrapulso multifotónico

El escaneo de fase de interferencia intrapulso multifotónico ( MIIPS ) es un método utilizado en la tecnología de láser ultracorto que mide simultáneamente (caracterización de fase) y compensa (corrección de fase) los pulsos de láser de femtosegundos utilizando un modelador de pulso adaptativo . Cuando un pulso láser ultracorto alcanza una duración inferior a unos pocos cientos de femtosegundos, resulta fundamental caracterizar su duración, su curva de intensidad temporal o su campo eléctrico en función del tiempo. Los fotodetectores clásicos que miden la intensidad de la luz son todavía demasiado lentos para permitir una medición directa, incluso con los fotodiodos o cámaras de rayas más rápidos .

Se han desarrollado otros medios basados ​​en efectos ópticos no lineales casi instantáneos, como la autocorrelación , FROG , SPIDER , etc. Sin embargo, estos solo pueden medir las características del pulso pero no corregir los defectos para que el pulso sea lo más corto posible. Por ejemplo, el pulso podría emitir un chirrido lineal o presentar una dispersión de retardo de grupo (GDD) de orden superior, de modo que su duración sea mayor que la de un pulso de ancho de banda limitado que tenga el mismo espectro de intensidad. Por lo tanto, es muy deseable tener un método que pueda no sólo caracterizar el pulso, sino también corregir el pulso a formas específicas para diversas aplicaciones en las que se requieren características de pulso repetibles. MIIPS no solo puede medir el pulso sino también corregir la dispersión de alto orden , por lo que es muy preferible para aplicaciones donde el campo electromagnético repetible es importante, como para generar pulsos ultracortos que tienen una transformación limitada o poseen características de fase específicas.

El método MIIPS también se basa en la generación de segundos armónicos (SHG) en un cristal no lineal; sin embargo, en lugar de escanear temporalmente una réplica del pulso como en la autocorrelación, se aplica un GDD controlable y variable al pulso a través de un modelador de pulso. La intensidad es máxima cuando el pulso saliente no emite chirridos o cuando el GDD aplicado compensa exactamente el pulso entrante GDD. De este modo se mide y compensa el pulso GDD. Al resolver espectralmente la señal SHG, se puede medir GDD en función de la frecuencia, de modo que se puede medir la fase espectral y compensar la dispersión en todos los órdenes.

Teoría

Un dispositivo basado en MIIPS consta de dos componentes básicos controlados por una computadora: un modelador de pulso (generalmente un modulador de luz espacial basado en cristal líquido - SLM) y un espectrómetro. El modelador de pulsos permite la manipulación de la fase espectral y/o la amplitud de los pulsos ultracortos. El espectrómetro registra el espectro de un proceso óptico no lineal, como la generación del segundo armónico producido por el pulso láser. El proceso MIIPS es análogo al puente de Wheatstone en electrónica. Para medir las distorsiones de fase espectral desconocidas de los pulsos láser ultracortos se utiliza una función de fase espectral bien conocida (calibrada). Normalmente, la función superpuesta conocida es una función sinusoidal periódica que se explora a lo largo del ancho de banda del pulso.

MIIPS es similar a FROG en que se recopila un trazo de frecuencia para la caracterización del pulso ultracorto. En la activación óptica resuelta en frecuencia, se recopila una traza de FROG escaneando el pulso ultracorto a lo largo del eje temporal y detectando el espectro del proceso no lineal. Se puede expresar como

${\displaystyle I(\omega ,\tau )=\left|\int {E(t)g(t-\tau )e^{i\omega t}\mathrm {d} t}\right|^{2}}$

En MIIPS, en lugar de escanear en el dominio temporal, se aplica una serie de escaneos de fase en el dominio de fase del pulso. La traza del escaneo MIIPS consiste en los espectros del segundo armónico de cada escaneo de fase. La señal de MIIPS se puede escribir como

${\displaystyle I(2\omega )=\left|\int {|E(\omega )|^{2}e^{i\phi }\mathrm {d} \phi }\right|^{2}}$

El escaneo de fase en MIIPS se realiza mediante la introducción de una función de referencia bien conocida, por parte del modelador de pulso, para cancelar localmente las distorsiones causadas por la fase espectral desconocida, del pulso. La suma de la fase desconocida y la fase de referencia viene dada por . Debido a que depende de la frecuencia duplicada del espectro del pulso , es posible recuperar con precisión lo desconocido . ${\displaystyle f(\omega )}$ ${\displaystyle \Phi (\omega )}$ ${\displaystyle \phi (\omega )=\Phi (\omega )+f(\omega )}$ ${\displaystyle \phi (\omega )}$ ${\displaystyle \Phi (\omega )}$

El procedimiento de modulación de fase del proceso físico es generalmente una función continua. Por tanto, la señal SHG se puede expandir con una expansión de Taylor alrededor de : ${\displaystyle \omega }$

${\displaystyle I(\omega )=\left|\int |E(\omega +\Omega )||E(\omega -\Omega )|\times {\text{exp}}\{i[\phi (\omega +\Omega )+\phi (\omega -\Omega )]\}\mathrm {d} \Omega \right|^{2}}$

Y

${\displaystyle \phi (\omega +\Omega )+\phi (\omega -\Omega )=2\phi 0+\phi ''(\omega )\Omega ^{2}+...+{\frac {2}{(2n)!}}\phi ^{2n'}(\omega )\Omega ^{2n}}$

Según esta ecuación, la señal SHG alcanza el máximo cuando es cero. Esto equivale a . Mediante el escaneo de , se puede decidir. ${\displaystyle \phi (\omega +\Omega )+\phi (\omega -\Omega )}$ ${\displaystyle \Phi ''(\omega )=-f''(\omega )}$ ${\displaystyle f(\omega )}$ ${\displaystyle \Phi (\omega )}$

Iteraciones MIIPS para la corrección de la dispersión de alto orden del pulso de femtosegundo.

El espectro de frecuencia duplicada registrado para cada escaneo completo de la fase de referencia da como resultado dos réplicas de la traza MIIPS (consulte la Figura 1, se muestran cuatro réplicas). A partir de estos datos, se construye una gráfica 2D para SHG( ) donde . El segundo espectro armónico del pulso resultante tiene una amplitud máxima en la frecuencia donde se ha compensado la segunda derivada del pulso. Las líneas que describen se utilizan para obtener analíticamente la segunda derivada de la fase desconocida. Después de la doble integración se conocen las distorsiones de fase. Luego, el sistema introduce una fase de corrección para cancelar las distorsiones y lograr pulsos más cortos. La precisión absoluta de MIIPS mejora a medida que disminuyen las distorsiones de fase, por lo que se aplica un procedimiento iterativo de medición y compensación para reducir las distorsiones de fase por debajo de 0,1 radianes para todas las frecuencias dentro del ancho de banda del láser. ${\displaystyle 4(\pi )}$ ${\displaystyle \omega ,\omega }$ ${\displaystyle \omega =\pi c/\lambda _{SHG}}$ ${\displaystyle \omega _{m}(\omega )}$

Cuando se han eliminado todas las distorsiones de fase, los pulsos tienen la potencia máxima más alta posible y se consideran limitados por transformación (TL) (pulso limitado por ancho de banda). La traza MIIPS correspondiente a los pulsos TL muestra líneas rectas paralelas separadas por . Una vez que se han eliminado las distorsiones de fase espectral, el modelador se puede utilizar para introducir fases y amplitudes calibradas para controlar los procesos inducidos por láser. ${\displaystyle \pi }$

La tecnología MIIPS se ha aplicado con éxito en la excitación selectiva de imágenes multifotónicas y en el estudio de interacción luz-masa en femtosegundos.

Configuración experimental

Configuración experimental de un sistema MIIPS de doble paso.

El rayo láser expandido llega primero a la rejilla de difracción (G), la reflexión de primer orden se desvía hacia el espejo (M) y luego hacia el espejo curvo (CM). El espejo curvo refleja el láser hacia el modulador de luz espacial (SLM). Las fases se aplican a través del SLM a cada componente de la frecuencia. A continuación, el láser se retrorrefleja. Al utilizar un medio no lineal, los espectros no lineales (SHG, THG, etc.) frente al escaneo de fase se pueden registrar como una traza MIIPS para la caracterización del pulso. Una vez caracterizado el pulso, se puede aplicar una fase compensatoria al pulso ultracorto a través del SLM.

Variantes

También hay un algoritmo MIIPS ^[1] mejorado que permite una recuperación de fase eficiente en una sola iteración, siempre que se conozca el espectro láser en la muestra de referencia. Se espera que esta técnica sea particularmente beneficiosa para medir muestras fotosensibles y también es útil en el caso de muestras que producen espectros de segundos armónicos muy bajos. Este método de análisis evita un tipo de ambigüedad no trivial que surge para los perfiles de pulso de amplitud estructurados y puede proporcionar una mejor retroalimentación sobre la precisión de la recuperación de fase.

Gated-MIIPS (G-MIIPS) ^[2] es una variante mejorada de MIIPS, diseñada para abordar las limitaciones planteadas por las distorsiones de fase de orden superior en la caracterización de pulsos láser ultracortos. G-MIIPS emplea una puerta de amplitud escaneada en todo el espectro, lo que mitiga la influencia de términos de fase de orden superior y permite una compresión eficiente de pulsos láser de banda ancha con una configuración simple de modelador de pulsos de 4𝑓. G-MIIPS es particularmente eficaz para corregir distorsiones de fase sustanciales causadas por factores como objetivos de microscopio con alta NA.

Otras técnicas de medición del pulso ultracorto

• Puerta óptica resuelta en frecuencia (FROG)
• Interferometría de fase espectral para la reconstrucción directa del campo eléctrico (SPIDER)

Referencias

• M. Dantus, VV Lozovoy e I. Pastirk, "Medición y reparación: el puente de Wheatstone de femtosegundo". Revista OE 9 (2003).
• VV Lozovoy, I. Pastirk y M. Dantus, "Interferencia intrapulso multifotónica 4: caracterización y compensación de la fase espectral de pulsos láser ultracortos". Cartas de Óptica 29, 775-777 (2004).
• B. Xu, JM Gunn, JM Dela Cruz, VV Lozovoy, M. Dantus, "Investigación cuantitativa del método MIIPS para la medición de fase y compensación de pulsos de láser de femtosegundos", J. Optical Society of America B 23, 750-759 (2006 ).
• A. Comin, R. Ciesielski, N. Coca-Lopez, A. Hartschuh, "Recuperación de fases de pulsos láser ultracortos mediante un algoritmo MIIPS", Opt. Expreso 24, 2505-2512 (2016)
• A. Comin, R. Ciesielski, G. Piredda, K. Donkers, A. Hartschuh, "Compresión de pulsos láser ultracortos mediante exploraciones de fase de interferencia intrapulso multifotónica cerrada", J. Opt. Soc. Soy. B 31, 1118-1125 (2014)

Referencias

1. Viene, Alberto; Ciesielski, Richard; Coca-López, Nicolás; Hartschuh, Achim (8 de febrero de 2016). "Recuperación de fases de pulsos láser ultracortos mediante un algoritmo MIIPS". Óptica Express . 24 (3): 2505. doi : 10.1364/OE.24.002505 .
2. Viene, Alberto; Ciesielski, Richard; Piredda, Giovanni; Donkers, Kevin; Hartschuh, Achim (1 de mayo de 2014). "Compresión de pulsos de láser ultracortos mediante escaneos de fase de interferencia intrapulso multifotónico controlado". Revista de la Sociedad Óptica de América B. 31 (5): 1118. arXiv : 1401.5952 . doi :10.1364/JOSAB.31.001118.