Фемтосекундный лазер помог рассмотреть молекулы этанола в воде

Немецкие физики измерили электрические поля в жидкой фазе с высокой точностью и петагерцовым разрешением. Они использовали фемтосекундный лазер и электрооптическую выборку для измерения откликов. Работа опубликована в журнале Nature Photonics.

Ученые широко используют лазерное количественное определение состава образцов без использования специализированных меток. Для точных спектроскопических измерений обычно образец необходимо изолировать от помех окружающей среды и здесь основную проблему для исследователей представляет вода. Вода покрывает около 70 процентов земного шара, проникает в измерительные приборы через атмосферу и из-за сильного сечения поглощения света в видимом и среднем инфракрасном диапазоне доминирует над другими, более тонкими, характеристиками поглощения, возникающими от других молекул. Более того, избыточная поглощенная водой энергия может оставаться в образце в виде тепловой энергии, ограничивая неинвазивный анализ. Чтобы преодолеть эти ограничения, ученые используют спектроскопию в ближнем инфракрасном диапазоне и фурье-спектроскопию. Однако чувствительность этих методов остается ограниченной из-за фоновых сигналов.

Группа физиков под руководством Хание Фаттахи (Hanieh Fattahi) из Института физики света Общества Макса Планка использовала мощные фемтосекундные лазерные импульсы для возбуждения молекул и электрооптическую выборку для измерения откликов. Ультракороткие импульсы генерировали в два этапа. Сначала физики при помощи лазера генерировали импульсы с энергией около 20 микроджоулей и частотой около мегагерца и сжимали их с 255 до 25 фемтосекунд при помощи спектрального расширения на основе фазовой модуляции в заполненных аргоном однокольцевых фотонных кристаллических волокнах. Затем ученые дополнительно сжимали импульсы в аналогичном волокне за счет эффекта самокомпрессии. Такая схема помогла генерировать яркие синхронизированные импульсы, обеспечивая высокую чувствительность и минимизацию шумов.

Чтобы зафиксировать отклик молекул на эти импульсы с высокой точностью, исследователи применили электрооптическую выборку, которая позволяет разрешить циклы электрического поля света путем преобразования его спектральной полосы пропускания в более высокие частоты. Это позволило физикам применить кремниевые детекторы для широкополосного обнаружения в ближнем инфракрасном диапазоне.

Эксперименты показали, что метод способен измерять вибрации молекул воды и этанола в жидкой фазе с беспрецедентной чувствительностью. Авторы статьи смогли четко разделить отклики молекул в жидкости от длительных сигналов, исходящих от молекул окружающего воздуха с разрешением в петагерцовом диапазоне. Это позволило зарегистрировать даже слабые резонансные отклики, такие как колебательные моды молекул этанола при концентрациях вплоть до 4,13 микромоль.

Спектроскопия используется в различных научных областях. Например, ранее мы писали, как спектроскопия помогла измерить красноту мякоти яблок.