Om snel bewegende actie vast te leggen in een slecht verlichte omgeving, een fotograaf gebruikt de combinatie van een snelle sluitertijd en een snelle lichtflits.

Laserfysici passen hetzelfde principe toe:een microscopische gebeurtenis van korte duur vastleggen door erop te slaan met een snelle puls van infrarood licht. Natuurlijk, terwijl de actie die een fotograaf probeert vast te leggen een honderdste van een seconde of twee kan duren, de kans van de fysicus kan enkele femtoseconden (quadrillionste van een seconde) duren.

Maar om een ​​lichtpuls kort genoeg te maken om vast te leggen wat een natuurkundige zou willen zien, zeg, het effect van door licht veroorzaakte trillingen op een molecuul in het netvlies – je hebt een lichtbron nodig die een breed scala aan frequenties produceert. En een groep onder leiding van Jeffrey Moses, universitair docent toegepaste en technische fysica, heeft een proces ontwikkeld voor het genereren en vormgeven van intense midden-infrarood (mid-IR) lichtpulsen.

"We hebben de mogelijkheid om deze zeer breedbandige bron van midden-IR-licht te creëren dat intens, en we hebben het vermogen om het precies vorm te geven, " zei Mozes, wiens groep een paper publiceerde in Natuurfotonica , "Generatie en multi-octaaf vorming van mid-infrarood intense single-cycle pulsen, " 20 maart.

Peter Krogen, doctoraat '16, nu een onderzoeksmedewerker aan het Massachusetts Institute of Technology, is hoofdauteur. Andere bijdragers waren onder meer promovendus Noah Flemens, lid van de Moses-groep.

Mid-IR-golflengten zijn van bijzonder belang voor materiaalwetenschappers, chemici, biologen en fysici van de gecondenseerde materie. Onlangs, de komst van mid-IR-bronnen met hoge pulsenergie en ultrakorte duur heeft geleid tot een nieuwe reeks niet-lineaire interacties tussen licht en materie, en het opzetten van mid-IR-bronnen die niet alleen over een extreme bandbreedte beschikken, maar ook een willekeurige controle van de pulsvorm, is van groot belang.

Een methode voor het analyseren van kortdurende verschijnselen is pomp-sonde spectroscopie. De eerste laserstraal fungeert als de "pomp, " om een ​​gewenste reactie in een materiaal te genereren, en de tweede is de "sonde, " gebruikt om de reactie te analyseren.

Om lichtpulsen te creëren die kort genoeg zijn om deze gebeurtenissen vast te leggen, het licht moet een breed scala aan frequenties bevatten binnen het IR-spectrum. "Hoe meer frequenties ik heb, hoe korter een puls ik kan maken, ' zei Mozes.

Het probleem, echter, is dat bij het vormgeven van het licht voor een specifiek doel, je verliest bandbreedte. Om dat probleem op te lossen, Moses en zijn groep ontwikkelden een manier om een ​​breedband te creëren en vorm te geven, bijna-IR-lichtpuls en verander de "kleur" (golffrequentie) in midden-IR met behoud van de bandbreedte en vorm. In feite, de relatieve bandbreedte van de bijna-IR-golf - een maatstaf voor hoe kort een puls kan worden gemaakt in vergelijking met de kleinst haalbare duur bij die kleur - wordt effectief verhoogd wanneer deze wordt omgezet naar een midden-IR-golf.

Het resultaat:pulsen die slechts een enkele cyclus van de golfperiode duren, wat zeer dicht bij het door de natuur toegestane minimum ligt.

"Als we door dit proces gaan, we hebben een bandbreedte in de bijna-IR die minder is dan een octaaf, "Mozes zei:"en we eindigen met een bandbreedte in de mid-IR die meer dan een octaaf is." In golflengten, een octaaf is de spreiding tussen een frequentie en tweemaal die frequentie.

Een specifieke toepassing die van belang is voor de groep is het volgen van de manier waarop elektronenenergie in een systeem stroomt, zoals het menselijk zicht. Rhodopsine-moleculen in het netvlies absorberen licht en veranderen dan van vorm - van gebogen naar recht - en het is dit rechttrekken dat dient om een ​​signaal door de oogzenuw naar de hersenen te sturen.

"De verandering in de elektronische configuratie van deze moleculen gebeurt gedurende tientallen femtoseconden, "Zei Mozes. "We denken dat we hier de juiste lichtbron hebben om veel meer informatie te krijgen over wat er in die ultrakorte tijdsperiode gebeurt."

En wat kan die informatie een wetenschapper vertellen? Voor een ding, dat proces is zeer efficiënt bij mensen, maar er zijn andere vergelijkbare biologische processen – waarvan theoretici denken dat ze worden gereguleerd door een soortgelijk type structuur – die zeer inefficiënt zijn.

"Met dit hulpmiddel we proberen een methode te ontwikkelen voor het bestuderen van dit soort structuren die verantwoordelijk zijn voor de manier waarop moleculen reageren op licht, Mozes zei. "Dit kan ons helpen iets te begrijpen dat we fabriceren en ons helpen om het efficiënter te laten doen wat het doet."