超高速分光法のための色にリンクされた偏光

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Anonim
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物理学者は、透過レーザーパルスの各成分の波長を異なる偏光と相関させることにより、分光測定を高速化することができました。これは、一緒にされた2つの直交する偏光ビームの間に波長依存の位相シフトを導入することによって行われました。この手法により、光の偏光のみを測定することで分光情報を取得できるため、検出率が大幅に向上します。研究はOpticaに掲載されています。

分光法は物理実験の最も重要な方法であり、純粋に実用的な問題を解決することと、物理学の基本的な質問に対する答えを探すことの両方に役立ちます。これは、調査中のオブジェクトによって放出または吸収された光のスペクトルの分析に基づいています。

古典的な分光法は、色(波長)に応じて空間内の光線の分離を使用します。ただし、光はより多くの特性によって特徴付けることができます。たとえば、空間の波長と方向に加えて、その時間的形状、偏光、波面、さらには軌道角運動量を変更できます。そして、光のある特性を別の特性に結び付けることを学ぶ場合、これは物質の特性を測定および操作する新しいモードに使用できます。

フィンランドのタンペレ大学のRobertFicklerが率いるフィンランドとカナダの物理学者は、各スペクトル成分が固有の偏光を持つ光線の作成を実証しました。このようなビームは、スペクトルベクトルビームと呼ばれていました。スペクトルベクトル光を使用して、波長ではなく偏光を測定する分光実験を行うことができます。これにより、測定プロセスを大幅に高速化できます。

スペクトルベクトル光の生成の背後にある考え方は、一緒にされた2つの直交する偏光ビームの間に波長依存の位相シフトを導入することです。これを行う最も簡単な方法は、複屈折結晶を使用してビーム間に時間遅延を導入し、異なる偏光のコンポーネントが異なる速度で伝搬するようにすることであることが判明しました。結晶の出口では、成分は波長に応じて位相差があり、それはそれらの添加の結果の異なる偏光で表されます。波長と最終偏光の関係は、結晶の厚さとその配向を変えることで制御できます。複屈折結晶のこの特性はよく研究されており、波長板で使用されています。

説明されたアイデアを実装するために、著者は220フェムト秒の直線偏光パルス持続時間のチタンサファイアレーザーを使用しました。そのスペクトルは、808ナノメートルを中心とするベル型です。複屈折結晶として、ベータホウ酸バリウム(BBO)の2 mm結晶を使用し、通常光線と異常光線の屈折率の差は0です。12。生成されるスペクトルベクトル光線の偏光基準を制御するためこのように、物理学者はさまざまなウェーブプレートを使用しました。セットアップパラメータを選択することにより、著者は直線偏光の平面がスペクトルの一方の端からもう一方の端まで180度回転することを達成しました。

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実験装置の図。生成ユニット(WP1)の波長板は、生成されたビームの偏光基準を操作するために使用され、検出ユニット(WP2)では、測定システムの偏光基準を操作するために使用されます。ここで、PBSは偏光ビームスプリッター、PDはフォトダイオード、BSは信号を比較チャネルに収束させる追加のビームスプリッターです。

まず第一に、物理学者は、そのようなビームのスペクトルは、偏光のみを測定することによって再構築できると確信していました。これを行うために、彼らはストークスパラメータを波長に実験的にリンクし、異なる偏光ベースのセットアップを較正しました。その後、著者は光に対して一連のスペクトル操作を実行し、狭帯域透過、狭帯域吸収、および高速変化する長波フィルターの3つのプロセスをシミュレートしました。

シミュレーションは、ビームのフーリエ面に吸収マスクを追加することで構成されました。言い換えれば、物理学者は、回折格子を使用して光をスペクトルに分解し、次にレンズを使用して、すべての波長のビームを互いに平行に整列させました。ビームに垂直に配置された障害物を使用して1つまたは別のコンポーネントを減衰させることにより、著者は対応する波長での吸収をシミュレートし、ビームを回収しました。新しく収集されたビームのストークスパラメータの測定値の処理により、スペクトルに加えられた変化を正確に決定することが可能になりました。

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狭帯域シミュレーション回路。

3番目のケースでは、マスクの役割は、毎秒25.6メートルの速度でフーリエ平面内を移動するプロペラブレードによって果たされました。このような障害物は、スペクトルが急速に変化するシステムをシミュレートしました。物理学者は166ナノ秒(6メガヘルツ)の時間分解能を達成することができました。著者らは、測定速度はレーザーパルスの繰り返し速度とセットアップ内の電子機器の応答時間によって制限されており、これらのパラメーターを最適化するとギガヘルツに達する可能性があることに注意しています。

結論として、研究者たちは、彼らによって提示された設備には、超広スペクトル(スーパーコンティニウム)の超短パルスを使用する場合の制限があることに注意しています。それにもかかわらず、この方法はそのようなレーザーにも拡張できます。著者らは、数値シミュレーションを実行し、スーパーコンティニウムを使用して適用されたアイデアを実験的に実装するために使用できるパラメーターを推定しました。

機器の時間分解能を向上させることで、物質についてより多くを学ぶことができます。このおかげで、物理学者が光合成中のエネルギーの分布をどのように見て、分子の分解を高解像度で撮影したかについては、すでに説明しました。

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