Espectroscopia láser ultrarrápida

Los láseres de zafiro dopado con titanio son láseres sintonizables que emiten luz roja e infrarroja cercana (700  nm-1100  nm). Los osciladores láser de zafiro dopado con titanio utilizan cristales de zafiro dopado con titanio como medio de ganancia y bloqueo de modos de lente Kerr para lograr pulsos de luz subpicosegundo. Los pulsos típicos de un oscilador de zafiro dopado con titanio tienen una energía de nJ y frecuencias de repetición de 70-100  MHz. La amplificación de pulsos con modulación de frecuencia mediante amplificación regenerativa puede utilizarse para obtener energías de pulso más altas. Para la amplificación, los pulsos láser del oscilador de zafiro dopado con titanio deben primero estirarse en el tiempo para evitar daños en la óptica, y luego se inyectan en la cavidad de otro láser donde los pulsos se amplifican a una frecuencia de repetición menor. Los pulsos amplificados regenerativamente pueden amplificarse aún más en un amplificador de pasos múltiples. Después de la amplificación, los pulsos se recomprimen a anchos de pulso similares a los anchos de pulso originales.

Un láser de colorante es un láser de cuatro niveles que utiliza un colorante orgánico como medio de ganancia. Bombeado por un láser de longitud de onda fija, según el tipo de colorante utilizado, los distintos láseres de colorante pueden emitir haces con diferentes longitudes de onda. El diseño de láser de anillo es el más común en los sistemas de láser de colorante. Además, se suelen incorporar elementos de sintonización, como una rejilla de difracción o un prisma, en la cavidad. Esto permite que solo la luz en un rango de frecuencia muy estrecho resuene en la cavidad y se emita como luz láser. Su amplio rango de sintonización, alta potencia de salida y funcionamiento pulsado o continuo hacen que el láser de colorante sea especialmente útil en numerosos estudios físicos y químicos.

Un láser de fibra se genera generalmente a partir de un diodo láser . Este diodo acopla la luz a una fibra donde queda confinada. Se pueden obtener diferentes longitudes de onda mediante el uso de fibra dopada. La luz de bombeo del diodo láser excita un estado en la fibra dopada, lo que provoca una disminución de energía y la emisión de una longitud de onda específica. Esta longitud de onda puede ser diferente a la de la luz de bombeo y resultar más útil para un experimento en particular.

Los pulsos ópticos ultrarrápidos pueden utilizarse para generar pulsos de rayos X de diversas maneras. Un pulso óptico puede excitar un pulso de electrones mediante el efecto fotoeléctrico , y la aceleración a través de un alto potencial confiere a los electrones energía cinética. Al impactar contra un blanco, los electrones generan rayos X característicos y radiación de frenado (bremsstrahlung ). Un segundo método consiste en la generación de plasma mediante láser. Cuando un láser de muy alta intensidad incide sobre un blanco, arranca electrones del mismo, creando una nube de plasma con carga negativa . La intensa fuerza de Coulomb debida al material ionizado en el centro de la nube acelera rápidamente los electrones hacia los núcleos que quedan. Al colisionar con los núcleos, se emiten rayos X característicos y radiación de frenado. Este método de generación de rayos X dispersa los fotones en todas direcciones, pero también genera pulsos de rayos X de picosegundos .

Para realizar mediciones espectroscópicas precisas, es necesario conocer varias características del pulso láser; entre ellas se encuentran la duración, la energía, la fase espectral y la forma espectral. ^{[ 1 ]} La información sobre la duración del pulso se puede determinar mediante mediciones de autocorrelación o mediante correlación cruzada con otro pulso bien caracterizado. Los métodos que permiten la caracterización completa de los pulsos incluyen la técnica de compuerta óptica con resolución de frecuencia (FROG) y la interferometría de fase espectral para la reconstrucción directa del campo eléctrico (SPIDER).

La conformación de pulsos consiste en modificar los pulsos de la fuente de manera precisa, incluyendo la manipulación de su amplitud, fase y duración. Para amplificar la intensidad del pulso, se suele emplear la amplificación de pulsos modulados en frecuencia (chirp ), que incluye un expansor, un amplificador y un compresor. Durante la amplificación, no se modifica la duración ni la fase del pulso. La compresión de pulsos (reducción de su duración) se logra modulando primero el pulso en frecuencia mediante un material no lineal y ampliando su espectro, seguido de un compresor para la compensación de la modulación . Generalmente, se utiliza un compresor de fibra óptica. Los conformadores de pulsos suelen referirse a moduladores ópticos que aplican transformadas de Fourier a un haz láser. Según la propiedad de la luz que se controle, los moduladores se denominan moduladores de intensidad, moduladores de fase, moduladores de polarización o moduladores espaciales de luz. Según el mecanismo de modulación, los moduladores ópticos se dividen en moduladores acústico-ópticos, moduladores electroópticos, moduladores de cristal líquido, etc. Cada uno está diseñado para diferentes aplicaciones. ^{[ 2 ]}

La generación de armónicos de alto orden (HHG) es un proceso no lineal donde la radiación láser intensa se convierte de una frecuencia fija a armónicos de alto orden de esa frecuencia mediante la ionización y recolisión de un electrón. Fue observada por primera vez en 1987 por McPherson et al., quienes generaron con éxito emisión armónica hasta el orden 17 a 248  nm en gas neón. ^{[ 3 ]} La HHG se observa al enfocar un pulso ultrarrápido, de alta intensidad y cercano al infrarrojo en un gas noble a intensidades de 10 ¹³ –10 ¹⁴ W/cm ² y genera pulsos coherentes en la  región del espectro de rayos X ultravioleta a rayos X blandos (100–1 nm). Es realizable a escala de laboratorio (sistemas de mesa) a diferencia de las grandes instalaciones de láser de electrones libres.

La generación de armónicos de alto orden en átomos se comprende bien mediante el modelo de tres etapas (ionización, propagación y recombinación). Ionización: El intenso campo láser modifica el potencial de Coulomb del átomo; el electrón atraviesa la barrera por efecto túnel y se ioniza. Propagación: El electrón libre se acelera en el campo láser y gana momento. Recombinación: Cuando el campo se invierte, el electrón se acelera de nuevo hacia el átomo progenitor ión y libera un fotón de muy alta energía. ^{[ 4 ]}

Los distintos experimentos de espectroscopia requieren diferentes longitudes de onda de excitación o de sondeo. Por ello, se suelen emplear técnicas de conversión de frecuencia para ampliar el espectro operativo de las fuentes de luz láser existentes. Las técnicas de conversión más extendidas se basan en el uso de cristales con no linealidad de segundo orden para realizar amplificación paramétrica o mezcla de frecuencias . La mezcla de frecuencias funciona superponiendo dos haces de longitudes de onda iguales o diferentes para generar una señal que es un armónico superior o la suma de las frecuencias de los dos primeros. La amplificación paramétrica superpone un haz de sondeo débil con un haz de bombeo de mayor energía en un cristal no lineal, de modo que el haz débil se amplifica y la energía restante sale como un nuevo haz llamado idler. Este método permite generar pulsos de salida más cortos que los de entrada. Se han implementado diferentes esquemas de este método. Algunos ejemplos son el oscilador paramétrico óptico (OPO), el amplificador paramétrico óptico (OPA) y el amplificador paramétrico no colineal (NOPA).

Este método es típico de los experimentos de "bombeo-sonda", donde se utiliza un láser pulsado para excitar los electrones de un material (como una molécula o un sólido semiconductor) desde su estado fundamental a estados excitados de mayor energía . Se utiliza una fuente de luz de sondeo, generalmente una lámpara de arco de xenón o un pulso láser de banda ancha generado por supercontinuo , para obtener un espectro de absorción del compuesto en diferentes momentos tras su excitación. A medida que las moléculas excitadas absorben la luz de sondeo, se excitan aún más a estados superiores o se induce su retorno al estado fundamental radiativamente mediante emisión estimulada . Tras atravesar la muestra, la luz de sondeo no absorbida continúa hasta un fotodetector, como una matriz de fotodiodos de avalancha o una cámara CMOS , y los datos se procesan para generar un espectro de absorción del estado excitado. Dado que no todas las moléculas o sitios de excitación en la muestra experimentarán la misma dinámica simultáneamente, este experimento debe realizarse muchas veces (donde cada "experimento" proviene de una sola interacción de pulsos láser de bombeo y sonda), y los datos deben promediarse para generar espectros con intensidades y picos precisos. Debido a que pueden ocurrir fotoblanqueo y otras reacciones fotoquímicas o fototérmicas en las muestras, este método requiere evaluar estos efectos midiendo la misma muestra en la misma ubicación muchas veces con diferentes intensidades de bombeo y sonda. La mayoría de las veces, las muestras líquidas se agitan durante la medición, lo que dificulta la medición de cinéticas a tiempos relativamente largos debido al flujo y la difusión. A diferencia del conteo de fotones individuales correlacionados en el tiempo (TCSPC), esta técnica puede realizarse en muestras no fluorescentes. También puede realizarse en muestras no transmisivas en una geometría de reflexión.

La absorción transitoria ultrarrápida puede utilizar prácticamente cualquier luz de sonda, siempre que esta tenga una longitud de onda o un conjunto de longitudes de onda pertinentes. Un monocromador y un tubo fotomultiplicador, en lugar de la matriz de fotodiodos de avalancha, permiten observar una única longitud de onda de sonda y, por lo tanto, estudiar la cinética de decaimiento de las especies excitadas. El objetivo de esta configuración es realizar mediciones cinéticas de especies que, de otro modo, no serían radiativas, y resulta especialmente útil para observar especies con poblaciones efímeras y no fosforescentes dentro del conjunto de tripletes como parte de su trayectoria de decaimiento. El láser pulsado de esta configuración se utiliza tanto como fuente de excitación primaria como señal de reloj para las mediciones ultrarrápidas. Aunque laborioso y requiere mucho tiempo, también se puede modificar la posición del monocromador para construir perfiles de decaimiento de absorbancia, logrando así el mismo efecto que el método anterior.

Los datos de las mediciones UTA ​​suelen ser espectros de absorción reconstruidos secuenciados en el tiempo de retardo entre el bombeo y la sonda. Cada espectro se asemeja a un perfil de absorción normal en estado estacionario de la muestra después del tiempo de retardo de la excitación, con una resolución temporal convolucionada a partir de las resoluciones temporales del bombeo y la sonda. La longitud de onda de excitación es bloqueada por el láser de bombeo y recortada. El resto de los espectros generalmente presenta algunas bandas, como la absorción del estado fundamental, la absorción del estado excitado y la emisión estimulada. En condiciones normales, los ángulos de emisión están orientados aleatoriamente y no se detectan en la geometría de absorción. Sin embargo, en la medición UTA, la emisión estimulada se asemeja al efecto láser, está altamente orientada y se detecta. Muchas veces, esta emisión se superpone con las bandas de absorción y necesita ser deconvolucionada para el análisis cuantitativo. ^{[ 5 ]} La relación y correlación entre estas bandas se puede visualizar utilizando el análisis de correlación bidimensional espectroscópico clásico . ^{[ 6 ]}

La espectroscopia de fotoelectrones resuelta en el tiempo y la espectroscopia de fotoelectrones de dos fotones (2PPE) combinan un esquema de bombeo-sonda con fotoemisión resuelta angularmente. Un primer pulso láser se utiliza para excitar un material, y un segundo pulso láser ioniza el sistema. La energía cinética de los electrones resultantes de este proceso se detecta mediante diversos métodos, como el mapeo de energía y las mediciones de tiempo de vuelo . Como se mencionó anteriormente, el proceso se repite muchas veces con diferentes retardos entre el pulso de sonda y el pulso de bombeo. Esto permite obtener una imagen de cómo se relaja la molécula con el tiempo. Una variante de este método , denominada espectroscopia de fotoiones resuelta en el tiempo (TRPIS), analiza los iones positivos creados durante el proceso.

Utilizando los mismos principios que impulsaron los experimentos de RMN bidimensional , es posible realizar espectroscopia óptica o infrarroja multidimensional mediante pulsos ultrarrápidos. Diferentes frecuencias permiten analizar diversos procesos moleculares dinámicos para diferenciar entre el ensanchamiento de línea homogéneo e inhomogéneo , así como identificar el acoplamiento entre las transiciones espectroscópicas medidas. Si dos osciladores están acoplados, ya sea mediante vibraciones intramoleculares o acoplamiento electrónico intermolecular, la dimensionalidad añadida permitirá resolver respuestas anarmónicas no detectables en espectros lineales. Una secuencia de pulsos bidimensional típica consiste en un pulso inicial que induce al sistema una superposición coherente de estados, seguido de un segundo pulso conjugado en fase que lo lleva a un estado excitado no oscilante y, finalmente, un tercer pulso que lo convierte de nuevo a un estado coherente, generando un pulso medible. ^{[ 7 ]} Se puede registrar un espectro de frecuencia 2D representando en un eje la transformada de Fourier del retardo entre el primer y el segundo pulso, y en el otro eje la transformada de Fourier del retardo entre un pulso de detección y el tercer pulso que produce la señal. La espectroscopia 2D es un ejemplo de un experimento de mezcla de cuatro ondas , y el vector de onda de la señal será la suma de los tres vectores de onda incidentes utilizados en la secuencia de pulsos. Existen espectroscopias multidimensionales en variantes infrarrojas ^{[ 8 ]} y visibles, así como combinaciones que utilizan diferentes regiones de longitud de onda.

La espectroscopia 2D mediante pulsos ultrarrápidos puede combinarse con métodos experimentales complementarios para caracterizar el sistema en estudio. Las mediciones fotoelectroquímicas de complejos fotosintéticos se han correlacionado con pulsos ultrarrápidos para estimular y sondear los cromóforos implicados en la fotosíntesis y para caracterizar los procesos de transferencia de carga en los centros de reacción fotosintéticos . ^{[ 9 ]} Dado que la separación y transferencia de carga es el proceso final biológicamente relevante (a diferencia de las excitaciones y relajaciones intermedias de los cromóforos), la combinación de fotoelectroquímica y espectroscopia 2D (PEC2DES) puede considerarse una forma de "espectroscopia de acción". ^{[ 10 ]}

La mayoría de las técnicas de imagen ultrarrápidas son variaciones de los experimentos estándar de bomba-sonda . Algunas técnicas comúnmente utilizadas son la imagen por difracción de electrones, ^{[ 11 ]} la microscopía con compuerta de Kerr , ^{[ 12 ]} la imagen con pulsos de electrones ultrarrápidos ^{[ 13 ]} y la imagen de terahercios . ^{[ 14 ]} Esto es particularmente cierto en la comunidad biomédica, donde las técnicas seguras y no invasivas para el diagnóstico son siempre de interés. La imagen de terahercios se ha utilizado recientemente para identificar áreas de caries en el esmalte dental y obtener imágenes de las capas de la piel. Además, ha demostrado ser capaz de distinguir con éxito una región de carcinoma de mama del tejido sano. ^{[ 14 ]} Otra técnica llamada microscopía amplificada codificada en el tiempo serial ha demostrado tener la capacidad de detectar incluso cantidades traza de células cancerosas en la sangre en una etapa aún más temprana. ^{[ 15 ]} Otras aplicaciones no biomédicas incluyen la obtención de imágenes ultrarrápidas alrededor de esquinas o a través de objetos opacos.

La conversión ascendente de fluorescencia de femtosegundos es una técnica de bombeo-sonda que utiliza óptica no lineal para combinar la señal de fluorescencia y la señal de sonda para crear una señal con una nueva frecuencia mediante generación de frecuencia suma , que posteriormente se detecta. La sonda recorre los tiempos de retardo después de que el bombeo excita la muestra, generando una gráfica de intensidad en función del tiempo. ^{[ 16 ]} La conversión ascendente de fluorescencia no debe confundirse con la conversión ascendente de fotones .

Los procesos ultrarrápidos se encuentran en toda la biología. Hasta el advenimiento de los métodos de femtosegundos, muchos de los mecanismos de estos procesos eran desconocidos. ^{[ 17 ] [ 9 ]} Ejemplos de estos incluyen la fotoisomerización cis-trans del cromóforo retinal de la rodopsina , el estado excitado y la dinámica de población del ADN , y los procesos de transferencia de carga en los centros de reacción fotosintéticos ^{[ 9 ]} La dinámica de transferencia de carga en los centros de reacción fotosintéticos tiene una relación directa con la capacidad del hombre para desarrollar tecnología de captación de luz, mientras que la dinámica del estado excitado del ADN tiene implicaciones en enfermedades como el cáncer de piel . ^{[ 18 ] [ 19 ]} Los avances en los métodos de femtosegundos son cruciales para la comprensión de los fenómenos ultrarrápidos en la naturaleza.

La fotodisociación es una reacción química en la que un compuesto químico se descompone por acción de fotones. Se define como la interacción de uno o más fotones con una molécula objetivo. Cualquier fotón con energía suficiente puede afectar los enlaces químicos de un compuesto, como la luz visible, la luz ultravioleta, los rayos X y los rayos gamma. La técnica de sondeo de reacciones químicas se ha aplicado con éxito a disociaciones unimoleculares. La posibilidad de utilizar una técnica de femtosegundos para estudiar reacciones bimoleculares a nivel de colisión individual se ve dificultada por las dificultades de sincronización espacial y temporal. Una forma de superar este problema es mediante el uso de complejos de Van der Waals de cúmulos moleculares débilmente unidos. Las técnicas de femtosegundos no se limitan a la observación de las reacciones químicas, sino que incluso pueden utilizarse para influir en su curso. Esto puede abrir nuevos canales de relajación o aumentar el rendimiento de ciertos productos de reacción.