La espectroscopia láser ultrarrápida es una categoría de técnicas espectroscópicas que utilizan láseres de pulso ultracorto para el estudio de la dinámica en escalas de tiempo extremadamente cortas ( attosegundos a nanosegundos ). Se utilizan diferentes métodos para examinar la dinámica de portadores de carga, átomos y moléculas. Se han desarrollado muchos procedimientos diferentes que abarcan diferentes escalas de tiempo y rangos de energía de fotones; A continuación se enumeran algunos métodos comunes.
La dinámica en la escala de tiempo de femtosegundos es en general demasiado rápida para medirse electrónicamente. La mayoría de las mediciones se realizan empleando una secuencia de pulsos de luz ultracortos para iniciar un proceso y registrar su dinámica. La amplitud temporal (duración) de los pulsos de luz debe estar en la misma escala que la dinámica que se va a medir o incluso más corta.
Los láseres de ti-zafiro son láseres sintonizables que emiten luz roja e infrarroja cercana (700 nm-1100 nm). Los osciladores láser de zafiro Ti utilizan cristales de zafiro dopados con Ti como medio de ganancia y bloqueo de modo de lente Kerr para lograr pulsos de luz de subpicosegundos. Los pulsos típicos del oscilador Ti:zafiro tienen energía nJ y tasas de repetición de 70-100 MHz. La amplificación del pulso chirriado mediante amplificación regenerativa se puede utilizar para lograr energías de pulso más altas. Para la amplificación, los pulsos de láser del oscilador de Ti:zafiro primero deben estirarse en el tiempo para evitar daños a la óptica y luego se inyectan en la cavidad de otro láser donde los pulsos se amplifican a una tasa de repetición más baja. Los pulsos amplificados regenerativamente se pueden amplificar aún más en un amplificador multipaso. Después de la amplificación, los pulsos se recomprimen a anchos de pulso similares a los anchos de pulso originales.
Un láser de tinte es un láser de cuatro niveles que utiliza un tinte orgánico como medio de ganancia. Bombeado por un láser con una longitud de onda fija, debido a los distintos tipos de tinte que se utilizan, diferentes láseres de tinte pueden emitir rayos con diferentes longitudes de onda. Un diseño de láser de anillo se utiliza con mayor frecuencia en un sistema de láser de tinte. Además, normalmente se incorporan en la cavidad elementos de sintonización, tales como una rejilla de difracción o un prisma. Esto permite que sólo la luz en un rango de frecuencia muy estrecho resuene en la cavidad y se emita como emisión láser. El amplio rango de sintonizabilidad, la alta potencia de salida y el funcionamiento pulsado o CW hacen que el láser de colorante sea particularmente útil en muchos estudios físicos y químicos.
Un láser de fibra generalmente se genera primero a partir de un diodo láser . Luego, el diodo láser acopla la luz en una fibra donde quedará confinada. Se pueden lograr diferentes longitudes de onda con el uso de fibra dopada. La luz de bombeo del diodo láser excitará un estado en la fibra dopada que luego puede disminuir la energía provocando que se emita una longitud de onda específica. Esta longitud de onda puede ser diferente a la de la luz de la bomba y más útil para un experimento en particular.
Los pulsos ópticos ultrarrápidos se pueden utilizar para generar pulsos de rayos X de múltiples formas. Un pulso óptico puede excitar un pulso de electrón mediante el efecto fotoeléctrico , y la aceleración a través de un alto potencial proporciona energía cinética a los electrones. Cuando los electrones alcanzan un objetivo, generan rayos X característicos y bremsstrahlung . Un segundo método es mediante plasma inducido por láser. Cuando una luz láser de muy alta intensidad incide sobre un objetivo, arranca electrones del objetivo creando una nube de plasma cargada negativamente. La fuerte fuerza de Coulomb debida al material ionizado en el centro de la nube acelera rápidamente los electrones de regreso a los núcleos que quedaron atrás. Al colisionar con los núcleos se produce una Bremsstrahlung y una emisión característica de rayos X. Este método de generación de rayos X dispersa fotones en todas direcciones, pero también genera pulsos de rayos X de picosegundos .
Para realizar mediciones espectroscópicas precisas, es necesario conocer varias características del pulso láser; la duración del pulso, la energía del pulso, la fase espectral y la forma espectral se encuentran entre algunos de ellos. [1] La información sobre la duración del pulso se puede determinar mediante mediciones de autocorrelación o mediante correlación cruzada con otro pulso bien caracterizado. Los métodos que permiten la caracterización completa de los pulsos incluyen la activación óptica con resolución de frecuencia (FROG) y la interferometría de fase espectral para la reconstrucción directa del campo eléctrico (SPIDER).
La conformación de pulsos consiste en modificar los pulsos de la fuente de una manera bien definida, incluida la manipulación de la amplitud, fase y duración del pulso. Para amplificar la intensidad del pulso, generalmente se emplea la amplificación del pulso chirriado , que incluye un extensor de pulso, un amplificador y un compresor. No cambiará la duración ni la fase del pulso durante la amplificación. La compresión del pulso (acortamiento de la duración del pulso) se logra haciendo primero chirriar el pulso en un material no lineal y ampliando el espectro, con el siguiente compresor para compensar el chirrido . En este caso se utiliza generalmente un compresor de fibra.Los formadores de pulsos suelen referirse a moduladores ópticos que aplican transformadas de Fourier a un rayo láser. Dependiendo de qué propiedad de la luz se controle, los moduladores se denominan moduladores de intensidad, moduladores de fase, moduladores de polarización y moduladores de luz espacial. Dependiendo del mecanismo de modulación, los moduladores ópticos se dividen en moduladores acústico-ópticos, moduladores electroópticos, moduladores de cristal líquido, etc. Cada uno está dedicado a diferentes aplicaciones. [2]
La generación de altos armónicos (HHG) es un proceso no lineal en el que la intensa radiación láser se convierte de una frecuencia fija en altos armónicos de esa frecuencia mediante la ionización y la recuperación de un electrón. Fue observado por primera vez en 1987 por McPherson et al. quien generó con éxito emisión de armónicos hasta el orden 17 a 248 nm en gas neón. [3] HHG se ve enfocando un pulso ultrarrápido, de alta intensidad y cercano al IR en un gas noble a intensidades de 10 13 –10 14 W/cm 2 y genera pulsos coherentes en el XUV a los rayos X blandos. (100–1 nm) región del espectro. Se puede realizar a escala de laboratorio (sistemas de mesa), a diferencia de las grandes instalaciones de láseres de electrones libres.
La alta generación de armónicos en los átomos se comprende bien en términos del modelo de tres pasos (ionización, propagación y recombinación). Ionización: El intenso campo láser modifica el potencial de Coulomb del átomo, los electrones atraviesan la barrera y se ionizan. Propagación: el electrón libre se acelera en el campo láser y gana impulso. Recombinación: cuando el campo se invierte, el electrón se acelera de regreso hacia el padre iónico y libera un fotón con muy alta energía. [4]
Diferentes experimentos de espectroscopia requieren diferentes excitaciones o longitudes de onda de sonda. Por este motivo, las técnicas de conversión de frecuencia se utilizan habitualmente para ampliar el espectro operativo de las fuentes de luz láser existentes. Las técnicas de conversión más extendidas se basan en el uso de cristales con no linealidad de segundo orden para realizar amplificación paramétrica o mezcla de frecuencias . La mezcla de frecuencias funciona superponiendo dos haces de longitudes de onda iguales o diferentes para generar una señal que es un armónico más alto o la frecuencia suma de los dos primeros. La amplificación paramétrica superpone un haz de sonda débil con un haz de bomba de mayor energía en un cristal no lineal, de modo que el haz débil se amplifica y la energía restante sale como un nuevo haz llamado idler. Este enfoque tiene la capacidad de generar pulsos de salida que son más cortos que los de entrada. Se han implementado diferentes esquemas de este enfoque. Algunos ejemplos son el oscilador óptico paramétrico (OPO), el amplificador óptico paramétrico (OPA) y el amplificador paramétrico no colineal (NOPA).
Este método es típico de los experimentos de "bomba-sonda", en los que se utiliza un láser pulsado para excitar los electrones de un material (como una molécula o un sólido semiconductor) desde sus estados fundamentales a estados excitados de mayor energía . Se utiliza una fuente de luz de sondeo, típicamente una lámpara de arco de xenón o un pulso láser de banda ancha creado por generación supercontinua , para obtener un espectro de absorción del compuesto en varios momentos después de su excitación. A medida que las moléculas excitadas absorben la luz de la sonda, se excitan aún más a estados aún más altos o se inducen a regresar al estado fundamental de forma radiativa a través de una emisión estimulada . Después de pasar a través de la muestra, la luz de la sonda no absorbida continúa hacia un fotodetector , como una matriz de fotodiodos de avalancha o una cámara CMOS , y los datos se procesan para generar un espectro de absorción del estado excitado. Dado que todas las moléculas o sitios de excitación en la muestra no experimentarán la misma dinámica simultáneamente, este experimento debe realizarse muchas veces (donde cada "experimento" proviene de un solo par de interacciones de pulso láser de sonda y bomba), y los datos deben promediarse para generar espectros con intensidades y picos precisos. Debido a que las muestras pueden sufrir fotoblanqueo y otras reacciones fotoquímicas o fototérmicas, este método requiere evaluar estos efectos midiendo la misma muestra en el mismo lugar muchas veces con diferentes intensidades de bomba y sonda. La mayoría de las veces, las muestras líquidas se agitan durante la medición, lo que dificulta la medición de la cinética a largo plazo debido al flujo y la difusión. A diferencia del recuento de fotones individuales correlacionado en el tiempo (TCSPC), esta técnica se puede llevar a cabo en muestras no fluorescentes. También se puede realizar en muestras no transmisivas en una geometría de reflexión.
La absorción transitoria ultrarrápida puede utilizar casi cualquier luz de sonda, siempre que la sonda tenga una longitud de onda o un conjunto de longitudes de onda pertinentes. Un monocromador y un tubo fotomultiplicador en lugar del conjunto de fotodiodos de avalancha permiten la observación de una única longitud de onda de sonda y, por lo tanto, permite sondear la cinética de desintegración de las especies excitadas. El propósito de esta configuración es tomar mediciones cinéticas de especies que de otro modo no serían radiativas y, específicamente, es útil para observar especies que tienen poblaciones de vida corta y no fosforescentes dentro de la variedad triplete como parte de su ruta de desintegración. El láser pulsado en esta configuración se utiliza como fuente de excitación primaria y como señal de reloj para las mediciones ultrarrápidas. Aunque es laborioso y requiere mucho tiempo, la posición del monocromador también se puede cambiar para permitir que se construyan perfiles de caída de absorbancia, en última instancia con el mismo efecto que el método anterior.
Los datos de las mediciones UTA generalmente son espectros de absorción reconstruidos secuenciados durante el tiempo de retardo entre la bomba y la sonda. Cada espectro se asemeja a un perfil de absorción normal en estado estacionario de la muestra después del tiempo de retardo de la excitación con la resolución de tiempo complicada a partir de las resoluciones de tiempo de la bomba y la sonda. La longitud de onda de excitación es cegada por el láser de bombeo y cortada. El resto de los espectros suele tener algunas bandas, como la absorción en el estado fundamental, la absorción en el estado excitado y la emisión estimulada. En condiciones normales, los ángulos de emisión están orientados aleatoriamente y no se detectan en la geometría de absorción. Pero en la medición UTA, la emisión estimulada se asemeja al efecto láser, está muy orientada y se detecta. Muchas veces esta emisión se superpone con las bandas de absorción y es necesario desconvolucionarla para realizar un análisis cuantitativo. [5] La relación y correlación entre estas bandas se puede visualizar utilizando el análisis de correlación bidimensional espectroscópico clásico . [6]
La espectroscopia de fotoelectrones de resolución temporal y la espectroscopia de fotoelectrones de dos fotones (2PPE) combinan un esquema de sonda de bomba con fotoemisión de resolución angular. Se utiliza un primer pulso láser para excitar un material, un segundo pulso láser ioniza el sistema. Luego se detecta la energía cinética de los electrones de este proceso, a través de varios métodos que incluyen mapeo de energía, mediciones del tiempo de vuelo, etc. Como se indicó anteriormente, el proceso se repite muchas veces, con diferentes retrasos de tiempo entre el pulso de la sonda y el pulso de la bomba. Esto crea una imagen de cómo la molécula se relaja con el tiempo. Una variación de este método analiza los iones positivos creados en este proceso y se llama espectroscopia de fotoiones de resolución temporal (TRPIS).
Utilizando los mismos principios iniciados por los experimentos de RMN 2D , la espectroscopia óptica o infrarroja multidimensional es posible utilizando pulsos ultrarrápidos. Diferentes frecuencias pueden sondear diversos procesos moleculares dinámicos para diferenciar entre ensanchamientos de líneas no homogéneos y homogéneos , así como identificar el acoplamiento entre las transiciones espectroscópicas medidas. Si se acoplan dos osciladores, ya sean vibraciones intramoleculares o acoplamiento electrónico intermolecular, la dimensionalidad agregada resolverá respuestas anarmónicas no identificables en espectros lineales. Una secuencia de pulsos 2D típica consiste en un pulso inicial para bombear el sistema a una superposición coherente de estados, seguido de un segundo pulso conjugado de fase que empuja al sistema a un estado excitado no oscilante y, finalmente, un tercer pulso que se convierte nuevamente en un estado coherente que produce un pulso mensurable. [7] Luego se puede registrar un espectro de frecuencia 2D trazando la transformada de Fourier del retraso entre el primer y segundo pulso en un eje, y la transformada de Fourier del retraso entre un pulso de detección con respecto al tercer pulso que produce la señal en el otro eje. La espectroscopia 2D es un ejemplo de un experimento de mezcla de cuatro ondas , y el vector de onda de la señal será la suma de los tres vectores de onda incidentes utilizados en la secuencia de pulsos. Existen espectroscopías multidimensionales en variantes infrarrojas [8] y visibles, así como combinaciones que utilizan diferentes regiones de longitud de onda.
La mayoría de las técnicas de imágenes ultrarrápidas son variaciones de los experimentos estándar con sonda de bomba. Algunas técnicas comúnmente utilizadas son imágenes de difracción de electrones, [9] microscopía cerrada de Kerr, [10] imágenes con pulsos de electrones ultrarrápidos [11] e imágenes de terahercios . [12] Esto es particularmente cierto en la comunidad biomédica, donde las técnicas de diagnóstico seguras y no invasivas siempre son de interés. Las imágenes de terahercios se han utilizado recientemente para identificar áreas de caries en el esmalte dental y obtener imágenes de las capas de la piel. Además, ha demostrado ser capaz de distinguir con éxito una región de carcinoma de mama del tejido sano. [12] Otra técnica llamada microscopía amplificada codificada en tiempo en serie ha demostrado tener la capacidad de detectar incluso antes trazas de células cancerosas en la sangre. [13] Otras aplicaciones no biomédicas incluyen imágenes ultrarrápidas en las esquinas o a través de objetos opacos.
La conversión ascendente de femtosegundos es una técnica de sonda de bomba que utiliza ópticas no lineales para combinar la señal de fluorescencia y la señal de la sonda para crear una señal con una nueva frecuencia mediante conversión ascendente de fotones , que se detecta posteriormente. La sonda escanea los tiempos de retraso después de que la bomba excita la muestra, generando un gráfico de intensidad a lo largo del tiempo. [14]
Los procesos ultrarrápidos se encuentran en toda la biología. Hasta la llegada de los métodos de femtosegundos, muchos de los mecanismos de tales procesos eran desconocidos. [15] [16] Ejemplos de estos incluyen la fotoisomerización cis-trans del cromóforo retiniano de rodopsina , el estado excitado y la dinámica de población del ADN , y los procesos de transferencia de carga en los centros de reacción fotosintéticos . [16] La dinámica de transferencia de carga en los centros de reacción fotosintética tiene un Tiene una relación directa con la capacidad del hombre para desarrollar tecnología de captación de luz, mientras que la dinámica del estado de excitación del ADN tiene implicaciones en enfermedades como el cáncer de piel . [17] [18] Los avances en los métodos de femtosegundos son cruciales para la comprensión de los fenómenos ultrarrápidos en la naturaleza.
La fotodisociación es una reacción química en la que los fotones descomponen un compuesto químico. Se define como la interacción de uno o más fotones con una molécula objetivo. Cualquier fotón con suficiente energía puede afectar los enlaces químicos de un compuesto químico, como la luz visible, la luz ultravioleta, los rayos X y los rayos gamma. La técnica de sondeo de reacciones químicas se ha aplicado con éxito a las disociaciones unimoleculares. La posibilidad de utilizar una técnica de femtosegundos para estudiar reacciones bimoleculares a nivel de colisión individual se complica por las dificultades de sincronización espacial y temporal. Una forma de superar este problema es mediante el uso de complejos de Van der Waals de grupos moleculares débilmente unidos. Las técnicas de femtosegundos no se limitan a la observación de reacciones químicas, sino que incluso pueden utilizarse para influir en el curso de la reacción. Esto puede abrir nuevos canales de relajación o aumentar el rendimiento de ciertos productos de reacción.
A diferencia de los pulsos de attosegundos y femtosegundos, la duración de los pulsos en la escala de tiempo de nanosegundos es lo suficientemente lenta como para medirse por medios electrónicos. Las cámaras de racha traducen el perfil temporal de los pulsos en un perfil espacial; es decir, los fotones que llegan al detector en diferentes momentos llegan a diferentes lugares del detector.
El recuento de fotones individuales correlacionado en el tiempo (TCSPC) se utiliza para analizar la relajación de moléculas desde un estado excitado a un estado de menor energía. Dado que varias moléculas en una muestra emitirán fotones en diferentes momentos después de su excitación simultánea, se debe pensar que la desintegración tiene una cierta velocidad en lugar de ocurrir en un momento específico después de la excitación. Al observar cuánto tardan las moléculas individuales en emitir sus fotones y luego combinar todos estos puntos de datos, se puede generar un gráfico de intensidad versus tiempo que muestra la curva de desintegración exponencial típica de estos procesos. Sin embargo, es difícil monitorear simultáneamente múltiples moléculas. En cambio, los eventos individuales de excitación-relajación se registran y luego se promedian para generar la curva.
Esta técnica analiza la diferencia de tiempo entre la excitación de la molécula de muestra y la liberación de energía como otro fotón. Repetir este proceso muchas veces dará como resultado un perfil de deterioro. Como fuente de excitación se pueden utilizar láseres pulsados o LED . Parte de la luz pasa a través de la muestra y la otra a la electrónica como señal de "sincronización". La luz emitida por la molécula de muestra pasa a través de un monocromador para seleccionar una longitud de onda específica. Luego, la luz es detectada y amplificada por un tubo fotomultiplicador (PMT). La señal luminosa emitida, así como la señal luminosa de referencia, se procesa a través de un discriminador de fracción constante (CFD) que elimina la fluctuación de tiempo. Después de pasar por el CFD, el pulso de referencia activa un circuito convertidor de tiempo a amplitud (TAC). El TAC carga un condensador que retendrá la señal hasta el siguiente pulso eléctrico. En modo TAC inverso la señal de "sincronización" detiene el TAC. Luego, estos datos se procesan adicionalmente mediante un convertidor analógico a digital (ADC) y un analizador multicanal (MCA) para obtener una salida de datos. Para asegurarse de que la desintegración no esté sesgada hacia los fotones que llegan temprano, la tasa de recuento de fotones se mantiene baja (generalmente menos del 1% de la tasa de excitación). [19]
Este pulso eléctrico se produce después de que el segundo pulso láser excita la molécula a un estado de mayor energía, y finalmente se emite un fotón desde una sola molécula al regresar a su estado original. Por tanto, cuanto más tarde una molécula en emitir un fotón, mayor será el voltaje del pulso resultante. El concepto central de esta técnica es que sólo se necesita un fotón para descargar el condensador. Por tanto, este experimento debe repetirse muchas veces para reunir toda la gama de retrasos entre la excitación y la emisión de un fotón. Después de cada prueba, una computadora precalibrada convierte el voltaje enviado por el TAC en un tiempo y registra el evento en un histograma de tiempo desde la excitación. Dado que la probabilidad de que ninguna molécula se haya relajado disminuye con el tiempo, surge una curva de desintegración que luego puede analizarse para determinar la velocidad de desintegración del evento. [20]
Un factor de complicación importante es que muchos procesos de desintegración implican múltiples estados de energía y, por tanto, múltiples constantes de velocidad. Aunque el análisis de mínimos cuadrados no lineal generalmente puede detectar las diferentes constantes de velocidad, determinar los procesos involucrados suele ser muy difícil y requiere la combinación de múltiples técnicas ultrarrápidas. Aún más complicada es la presencia de cruces entre sistemas y otros procesos no radiativos en una molécula. Un factor limitante de esta técnica es que se limita a estudiar estados de energía que resultan en la decadencia fluorescente. La técnica también se puede utilizar para estudiar la relajación de electrones desde la banda de conducción a la banda de valencia en semiconductores. [21] [22]