Поляризацию связали с цветом для сверхбыстрой спектроскопии

Физики смогли ускорить спектроскопические измерения, скоррелировав длину волны каждой из компонент просвечивающего лазерного импульса с отдельной поляризацией. Это было сделано путем внесения фазового сдвига, зависящего от длины волны, между двумя сведенными вместе пучками с ортогональными поляризациями. Такой прием позволяет получать спектроскопическую информацию, измеряя только поляризацию света, что существенно увеличивает скорость детектирования. Исследование опубликовано в Optica.

Спектроскопия — важнейший метод физического эксперимента, который помогать как решать сугубо практические задачи, так и искать ответы на фундаментальные вопросы в физике. В его основе лежит анализ спектра света, испущенного либо поглощенного исследуемым объектом.

Классическая спектроскопия использует разделение световых пучков в пространстве в зависимости от их цвета (длин волн). Однако свет можно характеризовать бо́льшим количеством свойств. Например, помимо длины волны и направления в пространстве можно менять его временну́ю форму, поляризацию, волновой фронт и даже орбитальный момент. И если научиться связывать одну характеристику света с другой, то это можно использовать для новых режимов измерения и манипуляции свойствами вещества.

Физики из Финляндии и Канады под руководством Роберта Фиклера (Robert Fickler) из Университета в Тампере, Финляндия, продемонстрировали создание пучков света, в котором каждая спектральная компонента обладает уникальной поляризацией. Такие пучки были названы спектрально-векторными пучками. Спектрально-векторный свет можно использовать для проведения спектроскопического эксперимента, где измеряется не длина волны, а поляризация, что позволяет существенно ускорить процесс измерения.

Идея, лежащая в основе генерации спектрально-векторного света, основана на внесении фазового сдвига, зависящего от длины волны, между двумя, сведенными вместе пучками с ортогональными поляризациями. Самым простым способом сделать это оказалось введение временно́й задержки между пучками с помощью двулучепреломляющего кристалла, входя в который компоненты с разной поляризацией распространяются с разной скоростью. На выходе из кристалла компоненты будут иметь разность фаз, зависящую от длины волны, что выражается в различной поляризации результата их сложения. Связью длины волны с итоговой поляризацией можно управлять, меняя толщину кристалла и его ориентацию. Это свойство двулучепреломляющих кристаллов хорошо изучено и используется в волновых пластинках.

Чтобы реализовать описанную идею, авторы использовали титан-сапфировый лазер с длительностью линейно поляризованного импульса, равного 220 фемтосекундам. Его спектр имеет колоколообразную форму с центром на 808 нанометрах. В качестве двулучепреломляющего кристалла использовался двухмиллиметровый кристалл бета бората бария (BBO), разница между показателями преломления обыкновенного и необыкновенного лучей в котором составляет 0,12. Для управления поляризационным базисом генерируемых таким образом спектрально-векторных лучей физики использовали разнообразные волновые пластинки. Подбором параметров установки авторы добились того, что плоскость линейной поляризации поворачивается на 180 градусов от одного конца спектра до другого.

В первую очередь физики убедились, что спектр такого луча можно восстановить, измеряя только поляризацию. Для этого они экспериментально связали параметры Стокса с длиной волны, откалибровав таким образом установку для различных поляризационных базисов. После этого авторы провели серию спектральных манипуляций над светом, которые симулировали три процесса: узкополосное пропускание, узкополосное поглощение и быстроизменяющийся длинноволновый фильтр.

Симуляция заключалась в добавлении поглощающей маски в Фурье-плоскость пучка. Другими словами, физики раскладывали свет в спектр с помощью дифракционной решетки, после чего с помощью линз выстраивали лучи всех длин волн параллельно друг другу. Заглушая ту или иную компоненту с помощью препятствий, расположенных перпендикулярно лучам, авторы имитировали поглощение на соответствующей длине волны, после чего собирали лучи обратно. Обработка измерений параметров Стокса вновь собранного пучка позволила достаточно точно определить сделанные в спектрах изменения.

В третьем случае роль маски играли лопасти винта, двигающегося в Фурье-плоскости со скоростью 25,6 метров в секунду. Такая преграда симулировала систему с быстро изменяющимся спектром. Физики смогли добиться временно́го разрешения, равного 166 наносекундам (6 мегагерц). Авторы отмечают, что скорость измерения ограничивалась частотой повторения лазерных импульсов и временами отклика электроники в установке, и при оптимизации данных параметров она может достигать гигагерц.

В заключении исследователи отмечают, что представленная ими установка имеет ограничения при использовании ультракоротких импульсов со сверхшироким спектром (суперконтинуума). Несмотря на это, метод может быть расширен и для таких лазеров. Авторы провели численную симуляцию и вывели параметры, которые могли бы быть использованы для экспериментальной реализации приложенной идеи с супеконтинуумом.

Улучшение временно́го разрешения приборов позволяет узнать гораздо больше о веществе. Мы уже рассказывали, как благодаря этому физики увидели распределение энергии при фотосинтезе и засняли разрыв молекулы в высоком разрешении.

Марат Хамадеев