Concept et montage expérimental - (a) Concept du réseau transitoire induit par l'impulsion de pompe infrarouge mise en forme dans un diélectrique transparent. Le signal de sonde diffracté par le réseau transitoire est collecté dans le champ lointain. (b) Le réseau transitoire induit par Kerr a une période et est incliné par rapport à l'axe de la sonde d'un angle . La longueur du réseau transitoire est de quelques dizaines de microns alors que l'échantillon peut être beaucoup plus épais. c Conception d'installation expérimentale. (d) Vue agrandie de la configuration dans la boîte en pointillés de (c) pour montrer les faisceaux en interaction et la configuration d'imagerie. Dans la région d'interaction, les faisceaux sont en configuration d'onde plane. Elles sont, donc, focalisé dans le plan focal arrière de l'objectif du microscope. L'objectif relais image le plan focal arrière sur la caméra avec un facteur de grossissement de 1. La distance focale des objectifs du microscope est de 3,6 mm. Crédit :Lumière :Science &Applications, 10.1038/s41377-021-00562-1
L'imagerie ultrarapide joue un rôle important en physique et en chimie pour étudier la dynamique femtoseconde d'échantillons non uniformes. La méthode est basée sur la compréhension des phénomènes induits par une impulsion de pompe laser ultracourte à l'aide d'une impulsion de sonde ultracourte par la suite. L'émergence de techniques d'imagerie ultrarapides très réussies avec une fréquence d'images extrêmement élevée est basée sur le codage en longueur d'onde ou en fréquence spatiale. Dans un nouveau rapport maintenant en Lumière :science et applications , Chen Xie, Rémi Meyer, et une équipe de scientifiques en Chine et en France a utilisé une méthode de microgreffe induite par pompe pour fournir une caractérisation in situ détaillée d'une impulsion de sonde faible. La méthode est non destructive et rapide à mettre en œuvre et, par conséquent, le diagnostic de la sonde in situ peut être répété pour étalonner les conditions expérimentales. La technique permettra à l'imagerie auparavant inaccessible de devenir réalisable dans un domaine de la science ultrarapide à l'échelle micro et nanométrique.
Physique et chimie ultrarapides
Le concept d'interactions laser matière en physique et chimie ultrarapides est basé sur l'imagerie à haute résolution spatiale et haute résolution temporelle. Dans ce travail, Xie et Meyer et al. ont décrit un diagnostic in situ très sensible pour les impulsions de sonde faibles afin de résoudre le problème de l'imagerie ultrarapide à haute résolution spatiale. L'équipe a d'abord dérivé le signal diffracté et présenté la configuration optique pour ensuite démontrer sa fonctionnalisation sous n'importe quelle configuration de polarisation. Ensuite, ils ont récupéré expérimentalement le délai pompe-sonde absolu et résolu le problème de la suppression de l'inclinaison du front d'impulsion à l'aide d'un outil de visualisation. Pour mettre en place l'expérience, ils ont formé un champ d'interférence à deux ondes à l'intérieur d'un échantillon diélectrique à partir d'un seul faisceau de pompe en utilisant un modulateur spatial de lumière pour assurer la synchronisation entre les deux ondes de pompe. Dans le montage expérimental, l'équipe a utilisé une source laser d'amplificateur d'impulsions chirpé en titane et saphir pour fournir 50 impulsions femtosecondes à une longueur d'onde centrale de 790 nm afin d'effectuer toutes les mesures en intégrant le signal sur 50 tirs à une fréquence de répétition de 1 kHz.
(a) Signal de corrélation croisée de crête en fonction de l'intensité de la pompe. Les croix montrent les données expérimentales et un ajustement quadratique est représenté par une ligne continue. (en médaillon) Signal de corrélation croisée en fonction du délai pompe-sonde pour différentes intensités de pompage, montrant que la position et la forme du pic sont invariantes avec la puissance de la pompe. (b) Signal de corrélation croisée. Signal de corrélation croisée en fonction du délai pompe-sonde pour les quatre combinaisons d'orientations de polarisation de la pompe et de la sonde. Crédit :Lumière :Science &Applications, 10.1038/s41377-021-00562-1
Un réseau transitoire basé sur Kerr valable pour toutes les combinaisons de polarisations pompe-sonde
Dans ce travail, Xie et Meyer et al. ont montré comment le micro-réseau induit par la pompe peut être généré à partir de l'effet Kerr électronique - un phénomène où l'indice de réfraction d'un matériau change en raison d'un champ électrique appliqué - pour fournir une caractérisation in situ détaillée d'une impulsion de sonde faible. Les scientifiques ont validé le signal diffracté mesuré et montré la validité de la mesure pour toutes les combinaisons de polarisations de pompe d'entrée et de sonde. Ils ont d'abord rendu compte de la validation de la technique, suivi de l'optimisation de l'impulsion de la sonde. Ensuite, ils ont optimisé la durée de l'impulsion de la sonde pour caractériser les deux polarisations et ont montré comment la méthode est très utile pour détecter les différences de phase spectrale dans le chemin optique des faisceaux pompe et sonde.
Changement de délai pompe-sonde par translation d'échantillon. (a) Evolution du signal TG en fonction de la position de l'échantillon dans le saphir (de 0 à 200 μm). (b) Barycentre du signal TG en fonction du déplacement de l'échantillon ; les données expérimentales sont en excellent accord avec le modèle. La barre d'erreur est due à la précision de détermination du barycentre, lié à la précision de positionnement de la ligne à retard. Crédit :Lumière :Science &Applications, 10.1038/s41377-021-00562-1
Visualisation de la dispersion angulaire. (a) Concept de la diffraction d'une impulsion de sonde dispersée angulairement par le réseau transitoire. Le réseau transitoire échantillonne efficacement l'impulsion modulée au délai pompe-sonde et diffracte la sous-impulsion correspondante sur la ROI (région d'intérêt) dans le premier ordre de diffraction. (b) Résultat expérimental typique. Signal diffracté en fonction du retard et de l'angle de déviation dans la direction y. Crédit :Lumière :Science &Applications, 10.1038/s41377-021-00562-1
Confinement spatial de la synchronisation
Lors des expérimentations, Xie et Meyer et al. défini le critère de synchronisation des impulsions pompe et sonde pour une localisation précise du foyer dans l'échantillon et localisé la zone d'interaction pompe-sonde jusqu'à des dizaines de micromètres. La forte localisation de l'expérience leur a permis de retrouver l'effet de la différence des vitesses de groupe sur la synchronisation pompe-sonde. L'impulsion de la sonde peut générer une inclinaison avant d'impulsion, ce qui peut limiter les expériences d'imagerie ultrarapide. Pour résoudre cela, Xie et Meyer et al. utilisé un compresseur à prismes sans aberration en utilisant deux prismes parfaitement parallèles, bien que le parallélisme puisse expérimentalement dévier de plusieurs milliradians. Cette déviation a un impact dramatique sur l'impulsion de la sonde. L'équipe a donc utilisé un réseau transitoire pour offrir une visualisation simple de l'inclinaison du front d'impulsion, puis l'a résolue efficacement en ajustant avec précision le parallélisme entre les prismes du compresseur. Le travail a montré un excellent accord entre les expériences et les simulations. Le diagnostic de réseau transitoire introduit dans ce travail a été utile pour supprimer avec précision l'inclinaison du front d'impulsion, même pour de faibles changements dans l'angle de déviation du compresseur à prisme.
Corrélation croisée des impulsions avec dispersion angulaire et temporelle. Dans la table, chaque trace montre l'efficacité de diffraction en unités arbitraires en fonction du retard (axe vertical) et de la direction spatiale ky (axe horizontal, ky = [−1.03; 1,03] μm−1). Le tableau de gauche montre les résultats expérimentaux pour 15 combinaisons différentes de chirp temporel ϕ2 et de dispersion angulaire. La dispersion angulaire a été caractérisée numériquement à partir de l'inadéquation de l'angle du prisme. La valeur de la phase de second ordre ϕ2 a été caractérisée à partir des insertions de prisme dans le compresseur de prisme (première rangée 3 mm, deuxième rangée 2 mm, et dernière rangée 0 mm. Cette dernière est la position pour une compression optimale des impulsions). Pour chaque trace, l'échelle de l'axe horizontal a été convertie en longueur d'onde en utilisant le coefficient de dispersion angulaire. Lorsque la dispersion angulaire est supprimée (colonne centrale), toutes les longueurs d'onde ont la même direction ky. Dans ce cas, la largeur latérale du spot est simplement déterminée par la taille du faisceau gaussien. Pour montrer la cohérence des résultats, la colonne la plus à droite montre trois cas (A, B, C) où la formule analytique de l'efficacité de diffraction du réseau transitoire a été intégrée à l'aide des paramètres extraits des simulations ZEMAX du compresseur à prisme désaligné. Crédit :Lumière :Science &Applications, 10.1038/s41377-021-00562-1
Perspectives
De cette façon, Chen Xie, Remi Meyer et ses collègues ont conçu une méthode de diagnostic in-situ extrêmement localisée pour permettre la caractérisation et la synchronisation d'une impulsion de sonde faible avec une pompe d'intensité plus élevée. Le diagnostic est très flexible pour diverses géométries de croisement pompe-sonde pour caractériser l'impulsion de la sonde. La technique est également valable pour une variété de durées d'impulsion et est pertinente même en présence d'aberrations sphériques et largement applicable dans la plupart des expériences d'imagerie ultrarapide et de pompe-sonde. Les résultats ont diverses applications et peuvent être utiles pour déterminer les phénomènes transitoires à l'échelle du micron ainsi que pour comprendre les interactions laser-matière au sein de la matière condensée.
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