Exploración de fase de interferencia intrapulso multifotón

Método de medición de pulsos láser ultracortos

El escaneo de fase de interferencia intrapulso multifotón ( MIIPS ) es un método utilizado en la tecnología láser ultracorta que mide simultáneamente (caracterización de fase) y compensa (corrección de fase) pulsos láser de femtosegundos utilizando un modelador de pulso adaptativo . Cuando un pulso láser ultracorto alcanza una duración de menos de unos pocos cientos de femtosegundos, se vuelve crítico 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 aún son demasiado lentos para permitir una medición directa, incluso con los fotodiodos o cámaras de rayos X 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 hacer que el pulso sea lo más corto posible. Por ejemplo, el pulso podría ser chirriado linealmente o presentar una dispersión de retardo de grupo de orden superior (GDD) de modo que su duración sea mayor que la de un pulso limitado por el ancho de banda que tenga el mismo espectro de intensidad. Por lo tanto, es muy deseable tener un método que no solo pueda caracterizar el pulso, sino que también corrija el pulso a formas específicas para varias aplicaciones en las que se requieren características de pulso repetibles. MIIPS no solo puede medir el pulso, sino también corregir la dispersión de orden superior , por lo que es muy preferible para aplicaciones en las que el campo electromagnético repetible es importante, como para generar pulsos ultracortos que están limitados por la transformada o poseen características de fase específicas.

El método MIIPS también se basa en la generación de segundo armónico (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 tiene chirridos o cuando el GDD aplicado compensa exactamente el GDD del pulso entrante. De este modo, se mide y compensa el GDD del pulso. Al resolver espectralmente la señal SHG, se puede medir el GDD en función de la frecuencia, de modo que se puede medir la fase espectral y se puede compensar la dispersión en todos los órdenes.

Teoría

Un dispositivo basado en MIIPS consta de dos componentes básicos controlados por una computadora: un formador de pulsos (generalmente un modulador espacial de luz basado en cristal líquido - SLM) y un espectrómetro. El formador de pulsos permite manipular 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 de un segundo armónico producida por el pulso láser. El proceso MIIPS es análogo al puente de Wheatstone en electrónica. Se utiliza una función de fase espectral conocida (calibrada) para medir las distorsiones de fase espectral desconocidas de los pulsos láser ultracortos. Normalmente, la función superpuesta conocida es una función sinusoidal periódica que se escanea a lo largo del ancho de banda del pulso.

MIIPS es similar a FROG en que se recopila un rastro de frecuencia para la caracterización del pulso ultracorto. En la compuerta óptica resuelta en frecuencia, se recopila un rastro FROG mediante el escaneo del pulso ultracorto a lo largo del eje temporal y la detección del espectro del proceso no lineal. Puede expresarse 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 introduciendo una función de referencia conocida, , por el modelador de pulsos para cancelar localmente las distorsiones por la fase espectral desconocida, , del pulso. La suma de la fase desconocida y la fase de referencia está dada por . Debido a que el espectro de frecuencia duplicada del pulso depende de , es posible recuperar con precisión la . ${\displaystyle f(\omega )}$ ${\displaystyle \Phi (\omega )}$ ${\displaystyle \phi (\omega )=\Phi (\omega )+f(\omega )}$ ${\displaystyle \phi (\omega )}$ ${\displaystyle \Phi (\omega )}$

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

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

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 es equivalente 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 orden alto del pulso de femtosegundo.

El espectro de frecuencia duplicada registrado para cada escaneo completo de la fase de referencia da como resultado dos réplicas del trazo MIIPS (ver Figura 1, se muestran cuatro réplicas). A partir de estos datos, se construye un gráfico 2D para SHG( ) donde . El espectro del segundo 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 tanto, 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 pico más alta posible y se consideran pulsos de ancho de banda limitados por transformada (TL). 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 multifotón y en el estudio de la interacción luz-masa de femtosegundos.

Configuración experimental

Configuración experimental de un sistema MIIPS de doble paso.

El haz 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 espacial de luz (SLM). Las fases se aplican a través del SLM a cada componente de la frecuencia. Luego, 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 un trazo 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 existe un algoritmo MIIPS ^[1] mejorado que permite una recuperación de fase eficiente en una única 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 segundo armónico muy bajos. Este método de análisis evita un tipo de ambigüedad no trivial que surge para los perfiles de pulsos 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 compuerta de amplitud escaneada a lo largo del espectro, mitigando la influencia de los términos de fase de orden superior y permitiendo 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 de alta apertura numérica.

Otras técnicas de medición de pulsos ultracortos

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

Referencias

• M. Dantus, VV Lozovoy e I. Pastirk, "Medición y reparación: el puente de Wheatstone de femtosegundos". 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". Optics Letters 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 láser de femtosegundos”, J. Optical Society of America B 23, 750-759 (2006).
• A. Comin, R. Ciesielski, N. Coca-Lopez, A. Hartschuh, "Recuperación de fase de pulsos láser ultracortos utilizando un algoritmo MIIPS", Opt. Express 24, 2505-2512 (2016)
• A. Comin, R. Ciesielski, G. Piredda, K. Donkers, A. Hartschuh, "Compresión de pulsos láser ultracortos mediante escaneos de fase de interferencia intrapulso multifotón controlados", J. Opt. Soc. Am. B 31, 1118-1125 (2014)

Referencias

1. Comin, Alberto; Ciesielski, Richard; Coca-López, Nicolás; Hartschuh, Achim (8 de febrero de 2016). "Recuperación de fase de pulsos láser ultracortos utilizando un algoritmo MIIPS". Optics Express . 24 (3): 2505. doi : 10.1364/OE.24.002505 .
2. Comin, Alberto; Ciesielski, Richard; Piredda, Giovanni; Donkers, Kevin; Hartschuh, Achim (1 de mayo de 2014). "Compresión de pulsos láser ultracortos mediante escaneos de fase de interferencia intrapulso multifotónicos controlados". Journal of the Optical Society of America B . 31 (5): 1118. arXiv : 1401.5952 . doi :10.1364/JOSAB.31.001118.