Lo scattering Raman stimolato, osservato per la prima volta nel 1962, è diventato uno strumento versatile in diversi campi come l'imaging biologico, il rilevamento di gas ambientale, la caratterizzazione dei materiali e il monitoraggio della dinamica molecolare. La scelta delle sorgenti laser per l'eccitazione di molecole o materiali è fondamentale, poiché determina la risoluzione spettrale e l'approccio per ottenere lo spettro Raman.

Le tecniche tradizionali per la spettroscopia di scattering Raman stimolata ad alta risoluzione spettrale prevedono la scansione dello spettro passo dopo passo con impulsi laser a banda stretta, limitando la velocità di acquisizione a causa dell'inerzia meccanica o termica. Al contrario, il sondaggio parallelo a più lunghezze d'onda con un impulso di eccitazione a picosecondi a banda stretta e un impulso di sonda a femtosecondi a banda larga introduce una sovrapposizione temporale non ottimale degli impulsi, presentando sfide come la soppressione dei segnali di fondo di miscelazione a quattro onde non risonanti.

In una recente pubblicazione su Light:Science &Applications , un team di scienziati, guidato dal Prof. Andrius Baltuška dell'Istituto di fotonica della TU Wien, Austria, e dal Dr. Xinhua Xie dello SwissFEL presso l'Istituto Paul Scherrer, Svizzera, in collaborazione con il Prof. Alexei Zheltikov del Dipartimento di Fisica e Astronomia presso la Texas A&M University, negli Stati Uniti, presentano un approccio innovativo alla spettroscopia di diffusione Raman stimolata.

Utilizzano raffiche di impulsi al femtosecondo amplificati e controllati in fase offset per ottenere una risoluzione iperspettrale e un'acquisizione spettrale ad alta velocità. Convalidata risolvendo le equazioni di Schrödinger non lineari accoppiate e la caratterizzazione numerica nell'azoto molecolare, questa tecnica offre un'elevata risoluzione spettrale e una scansione priva di movimento.

Con le sue potenziali applicazioni nel rilevamento dei gas, nell'analisi chimica, nel rilevamento dell'inquinamento ambientale, nella caratterizzazione degli isotopi e nel tracciamento delle dinamiche molecolari, questo metodo di diffusione Raman stimolato rappresenta un significativo passo avanti nelle capacità spettroscopiche.

Il primo autore della pubblicazione, il dottor Hongtao Hu del Photonics Institute della TU Wien, ha dichiarato:"L'impulso amplificato di femtosecondi necessario per questo metodo, come precedentemente riportato dal nostro gruppo, può essere generato in un oscillatore principale e quindi amplificato attraverso un amplificatore rigenerativo gestito in una modalità speciale."

Nella Figura 1 (a), sono raffigurate le forme temporali del segnale e dei burst di idler dopo l'amplificatore, contrassegnati rispettivamente come burst di pompa e burst di Stokes, nel processo di diffusione Raman stimolato. La separazione temporale tra gli impulsi può essere controllata dalla differenza di lunghezza della cavità tra i viaggi di andata e ritorno dell'amplificatore rigenerativo e dell'oscillatore principale. La fase di offset che denota la differenza di fase tra due impulsi vicini nel burst è manipolata da un modulatore acusto-ottico posizionato tra l'oscillatore principale e l'amplificatore rigenerativo.

In un amplificatore ottico parametrico ben progettato, le fasi del segnale e gli impulsi di riposo possono essere coniugati. Pertanto, manipolando con precisione la fase del burst laser fondamentale che entra nell'amplificatore ottico parametrico, le modalità spettrali si spostano elegantemente in direzioni opposte del segnale e degli pseudo-pettini folli, illustrati nella Figura 1 (b).

Di conseguenza, le condizioni di diffusione Raman stimolate in risonanza e fuori risonanza, illustrate nella Figura 1 (c) e (d), possono essere simultaneamente soddisfatte o perse da più pseudo-modalità, in base alla fase di ingresso degli impulsi caricati in l'amplificatore rigenerativo.

Nelle fasi di offset risonanti, l'energia dell'impulso passa effettivamente dal burst della pompa al burst di Stokes, inducendo la rispettiva perdita e guadagno. Questa complessa procedura rappresenta l'essenza della scansione senza movimento, che è la chiave per ottenere lo spettro Raman e il principio fondamentale di questo lavoro innovativo.

I loro risultati numerici, da un lato, svelano la relazione tra risoluzione spettrale e durata del burst; la risoluzione spettrale è inversamente proporzionale al prodotto della durata del burst e del numero di impulsi nel burst. Ad esempio, ottenendo una risoluzione spettrale di 0,17 cm ^-1 diventa fattibile con un burst di 100 impulsi e una durata di burst di 2 picosecondi.

Inoltre, i risultati chiariscono il modello di crescita associato al numero crescente di impulsi nel burst, una combinazione di crescita lineare e quadratica, garantendo un elevato rapporto segnale-rumore per lo spettro Raman.

Il nuovo approccio allo scattering Raman stimolato presentato in questo lavoro promette applicazioni nel rilevamento dei gas, nell’analisi chimica e nel tracciamento della dinamica molecolare. L'uso innovativo di burst di impulsi al femtosecondo amplificati e controllati in fase offset garantisce una risoluzione iperspettrale e una rapida acquisizione spettrale. Questo progresso non solo significa un salto significativo nelle capacità spettroscopiche, ma suscita anche anticipazione per l'impatto trasformativo che potrebbe avere su varie discipline scientifiche.

Ulteriori informazioni: Hongtao Hu et al, La risoluzione iperspettrale ha stimolato la spettroscopia Raman con raffiche di impulsi fs amplificati, Luce:scienza e applicazioni (2024). DOI:10.1038/s41377-023-01367-0

Informazioni sul giornale: Luce:scienza e applicazioni

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