escaneo de fase de interferencia intrapulso multifotónica

El escaneo de fase por interferencia intrapulso multifotónica ( MIIPS ) es un método utilizado en la tecnología láser ultracorta que mide (caracterización de fase) y compensa (corrección de fase) simultáneamente pulsos láser de femtosegundos mediante un conformador de pulso adaptativo . Cuando un pulso láser ultracorto alcanza una duración inferior a unos pocos cientos de femtosegundos, resulta fundamental caracterizar su duración, su curva de intensidad temporal o su campo eléctrico en función del tiempo. Los fotodetectores clásicos que miden la intensidad de la luz siguen siendo demasiado lentos para permitir una medición directa, incluso con los fotodiodos o cámaras de barrido más rápidos .

Se han desarrollado otros métodos basados ​​en efectos ópticos no lineales cuasi instantáneos, como la autocorrelación , FROG , SPIDER , etc. Sin embargo, estos solo pueden medir las características del pulso, pero no corregir los defectos para que el pulso sea lo más corto posible. Por ejemplo, el pulso podría tener una modulación de frecuencia lineal o presentar una dispersión de retardo de grupo (GDD) de orden superior, de modo que su duración sea mayor que la de un pulso limitado por ancho de banda con el mismo espectro de intensidad. Por lo tanto, es muy deseable contar con un método que no solo pueda caracterizar el pulso, sino también corregirlo a formas específicas para diversas aplicaciones en las que se requieren características de pulso repetibles. MIIPS no solo puede medir el pulso, sino también corregir la dispersión de orden superior , por lo que es altamente preferible para aplicaciones donde es importante un campo electromagnético repetible , como para generar pulsos ultracortos limitados por la transformada de Fourier o que poseen características de fase específicas.

El método MIIPS también se basa en la generación de segundo armónico (SHG) en un cristal no lineal; sin embargo, en lugar de escanear temporalmente una réplica del pulso como en la autocorrelación, se aplica una dispersión de retardo de grupo (GDD) controlable y variable al pulso mediante un conformador de pulsos. La intensidad es máxima cuando el pulso saliente no tiene modulación de frecuencia (chirp) o cuando la GDD aplicada compensa exactamente la GDD del pulso entrante. De esta forma, se mide y compensa la GDD del pulso. Al resolver espectralmente la señal SHG, la GDD se puede medir en función de la frecuencia, de modo que se puede medir la fase espectral y compensar la dispersión en todos los órdenes.

Un dispositivo basado en MIIPS consta de dos componentes básicos controlados por un ordenador: un conformador de pulsos (normalmente un modulador espacial de luz basado en cristal líquido - SLM) y un espectrómetro. El conformador de pulsos permite manipular la fase espectral y/o la amplitud de los pulsos ultracortos. El espectrómetro registra el espectro de un proceso óptico no lineal, como la generación del segundo armónico producida por el pulso láser. El proceso MIIPS es análogo al puente de Wheatstone en electrónica. Se utiliza una función de fase espectral conocida (calibrada) para medir las distorsiones de fase espectral desconocidas de los pulsos láser ultracortos. Normalmente, la función superpuesta conocida es una función sinusoidal periódica que se barre a lo largo del ancho de banda del pulso.

MIIPS es similar a FROG en que se recoge una traza de frecuencia para la caracterización del pulso ultracorto. En la compuerta óptica resuelta en frecuencia, se recoge una traza FROG escaneando el pulso ultracorto a través del eje temporal y detectando el espectro del proceso no lineal. Se puede expresar como

${\displaystyle I(\omega ,\tau )=\left|\int {E(t)g(t-\tau )e^{i\omega t}\mathrm {d} t}\right|^{2}}$

En MIIPS, en lugar de escanear en el dominio temporal, se aplica una serie de escaneos de fase en el dominio de fase del pulso. La traza del escaneo MIIPS consiste en los espectros del segundo armónico de cada escaneo de fase. La señal de MIIPS se puede escribir como

${\displaystyle I(2\omega )=\left|\int {|E(\omega )|^{2}e^{i\phi }\mathrm {d} \phi }\right|^{2}}$

El escaneo de fase en MIIPS se realiza introduciendo una función de referencia bien conocida,${\displaystyle f(\omega )}$, mediante el conformador de pulsos para cancelar localmente las distorsiones causadas por la fase espectral desconocida,${\displaystyle \Phi (\omega)}$, del pulso. La suma de la fase desconocida y la fase de referencia viene dada por${\displaystyle \phi (\omega )=\Phi (\omega )+f(\omega )}$. Porque el espectro de frecuencia duplicada del pulso depende de${\displaystyle \phi (\omega)}$Es posible recuperar con precisión lo desconocido${\displaystyle \Phi (\omega)}$.

El procedimiento de modulación de fase del proceso físico es generalmente una función continua . Por lo tanto, la señal SHG se puede expandir con una expansión de Taylor alrededor de${\displaystyle \omega }$:

${\displaystyle I(\omega )=\left|\int |E(\omega +\Omega )||E(\omega -\Omega )|\times {\text{exp}}\{i[\phi (\omega +\Omega )+\phi (\omega -\Omega )]\}\mathrm {d} \Omega \right|^{2}}$

Y

${\displaystyle \phi (\omega +\Omega )+\phi (\omega -\Omega )=2\phi 0+\phi ''(\omega )\Omega ^{2}+...+{\frac {2}{(2n)!}}\phi ^{2n'}(\omega )\Omega ^{2n}}$

Según esta ecuación, la señal SHG alcanza su máximo cuando${\displaystyle \phi (\omega +\Omega )+\phi (\omega -\Omega )}$es cero. Esto es equivalente a${\displaystyle \Phi ''(\omega )=-f''(\omega )}$. Mediante escaneo de${\displaystyle f(\omega )}$, el${\displaystyle \Phi (\omega)}$se puede decidir.

El espectro de frecuencia duplicada registrado para cada barrido completo de la fase de referencia${\displaystyle 4(\pi )}$da como resultado dos réplicas del trazado MIIPS (ver Figura 1, se muestran cuatro réplicas). A partir de estos datos, se obtiene un gráfico 2D para SHG(${\displaystyle \omega ,\omega }$) se construye donde${\displaystyle \omega =\pi c/\lambda _{SHG}}$El espectro del segundo armónico del pulso resultante tiene una amplitud máxima en la frecuencia donde se ha compensado la segunda derivada del pulso. Las líneas que describen${\displaystyle \omega _{m}(\omega )}$Se utilizan para obtener analíticamente la segunda derivada de la fase desconocida. Tras la doble integración, se conocen las distorsiones de fase. El sistema introduce entonces una fase de corrección para cancelar las distorsiones y lograr pulsos más cortos. La precisión absoluta del MIIPS mejora a medida que disminuyen las distorsiones de fase; por lo tanto, se aplica un procedimiento iterativo de medición y compensación para reducir las distorsiones de fase por debajo de 0,1 radianes para todas las frecuencias dentro del ancho de banda del láser.

Cuando se han eliminado todas las distorsiones de fase, los pulsos tienen la mayor potencia pico posible y se consideran pulsos limitados por ancho de banda/limitados por transformada (TL). El trazado MIIPS correspondiente a los pulsos TL muestra líneas paralelas rectas separadas por${\displaystyle \pi }$Una vez eliminadas las distorsiones de fase espectral, el conformador puede utilizarse para introducir fases y amplitudes calibradas que permitan controlar los procesos inducidos por láser.

La tecnología MIIPS se ha aplicado con éxito en la excitación selectiva de imágenes multifotónicas y en el estudio de la interacción luz-masa en la escala de femtosegundos.

El haz láser expandido llega primero a la rejilla de difracción (G), la reflexión de primer orden se desvía hacia el espejo (M) y luego hacia el espejo curvo (CM). El espejo curvo refleja el láser hacia el modulador espacial de luz (SLM). Las fases se aplican a través del SLM a cada componente de la frecuencia. Posteriormente, el láser se refleja. Mediante un medio no lineal, los espectros no lineales (SHG, THG, etc.) en función del barrido de fase se pueden registrar como una traza MIIPS para la caracterización del pulso. Una vez caracterizado el pulso, se puede aplicar una fase compensatoria al pulso ultracorto a través del SLM.

También existe un algoritmo MIIPS ^{[ 1 ]} mejorado que permite una recuperación de fase eficiente en una sola iteración, siempre que se conozca el espectro láser de la muestra de referencia. Se espera que esta técnica sea particularmente beneficiosa para la medición de muestras fotosensibles, y también resulta útil en el caso de muestras que producen espectros de segundo armónico muy bajos. Este método de análisis evita un tipo de ambigüedad no trivial que surge con los perfiles de pulsos de amplitud estructurada y puede proporcionar una mejor retroalimentación sobre la precisión de la recuperación de fase.

Gated-MIIPS (G-MIIPS) ^{[ 2 ]} es una variante mejorada de MIIPS, diseñada para abordar las limitaciones que presentan las distorsiones de fase de orden superior en la caracterización de pulsos láser ultracortos. G-MIIPS emplea una puerta de amplitud que se escanea a lo largo del espectro, mitigando la influencia de los términos de fase de orden superior y permitiendo una compresión eficiente de pulsos láser de banda ancha con una configuración simple de conformador de pulsos 4f. G-MIIPS es particularmente eficaz para corregir distorsiones de fase sustanciales causadas por factores como objetivos de microscopio de alta apertura numérica (NA).

• Compuerta óptica con resolución de frecuencia (FROG)
• Interferometría de fase espectral para la reconstrucción directa del campo eléctrico (SPIDER)

• M. Dantus, V.V. Lozovoy e I. Pastirk, "Medición y reparación: El puente de Wheatstone de femtosegundos". Revista OE 9 (2003).
• VV Lozovoy, I. Pastirk y M. Dantus, "Interferencia intrapulso multifotónica 4: Caracterización y compensación de la fase espectral de pulsos láser ultracortos". Optics Letters 29, 775-777 (2004).
• B. Xu, JM Gunn, JM Dela Cruz, VV Lozovoy, M. Dantus, “Investigación cuantitativa del método MIIPS para la medición de fase y compensación de pulsos láser de femtosegundos”, J. Optical Society of America B 23, 750-759 (2006).
• A. Comin, R. Ciesielski, N. Coca-Lopez, A. Hartschuh, "Recuperación de fase de pulsos láser ultracortos mediante un algoritmo MIIPS", Opt. Express 24, 2505-2512 (2016)
• A. Comin, R. Ciesielski, G. Piredda, K. Donkers, A. Hartschuh, "Compresión de pulsos láser ultracortos mediante barridos de fase de interferencia intrapulso multifotónica controlada", J. Opt. Soc. Am. B 31, 1118-1125 (2014)