Het genereren en manipuleren van pulsen met een hoge herhaling is veelbelovend voor verschillende toepassingen, waaronder snelle fotografie, laserverwerking en het genereren van akoestische golven. Gigahertz (GHz) burst-pulsen, met intervallen variërend van ~0,01 tot ~10 nanoseconden, worden vooral gewaardeerd voor het visualiseren van ultrasnelle verschijnselen en het verbeteren van de efficiëntie van laserverwerking.

Hoewel er methoden bestaan ​​voor het produceren van GHz-burstpulsen, blijven er uitdagingen bestaan, zoals een lage doorvoer van pulsenergie, slechte afstembaarheid van pulsintervallen en de complexiteit van bestaande systemen. Bovendien wordt het vormgeven van het ruimtelijke profiel van elke GHz-burstpuls geconfronteerd met beperkingen als gevolg van de inadequate respons van ruimtelijke lichtmodulatoren.

Om deze uitdagingen aan te pakken heeft een onderzoeksteam van de Universiteit van Tokio en de Saitama Universiteit een innovatieve optische techniek ontwikkeld, genaamd 'spectrum shuttle', die tegelijkertijd de productie van GHz-burstpulsen en de individuele vormgeving van hun ruimtelijke profielen mogelijk maakt.

De methode omvat het horizontaal verspreiden van een ultrakorte puls door diffractieroosters, waarbij de puls ruimtelijk wordt gescheiden in verschillende golflengten met behulp van parallelle spiegels. Deze verticaal uitgelijnde pulsen ondergaan individuele ruimtelijke modulatie met behulp van een ruimtelijke lichtmodulator. De resulterende gemoduleerde pulsen, met gevarieerde tijdsvertragingen in het GHz-bereik, leveren spectraal gescheiden GHz-burstpulsen op, elk met een unieke vorm in hun ruimtelijke profiel.

Zoals gerapporteerd in Advanced Photonics Nexus produceerde de voorgestelde methode met succes GHz-burstpulsen met discreet gevarieerde golflengten en tijdsintervallen. Het demonstreerde de vorming van ruimtelijke profielen, inclusief positieverschuivingen en pieksplitsing.

De toepassing van de methode in ultrasnelle spectroscopische beeldvorming demonstreerde het vermogen ervan om tegelijkertijd de dynamiek in verschillende golflengtebanden vast te leggen.

De methode maakt ultrasnelle beeldvorming mogelijk binnen tijdschalen van subnanoseconden tot nanoseconden, waardoor de analyse van snelle, niet-repetitieve verschijnselen mogelijk wordt. De mogelijke toepassingen ervan omvatten het blootleggen van onbekende ultrasnelle verschijnselen en het monitoren van snelle fysieke processen in industriële omgevingen. De mogelijkheid om GHz-burstpulsen individueel vorm te geven, is ook veelbelovend bij precisielaserverwerking en lasertherapie.

Met name het compacte ontwerp van de voorgestelde methode verbetert de draagbaarheid ervan, waardoor deze toepasbaar wordt in wetenschappelijke onderzoeksfaciliteiten en verschillende industriële technologiesectoren.

"Onze unieke optische configuratie maakt de manipulatie van ultrakorte pulsen met een driedimensionaal optisch pad mogelijk, waardoor ongekende ruimtelijke manipulatie van GHz-burstpulsen mogelijk wordt", zegt Keitaro Shimada, een Ph.D. kandidaat bij de afdeling Bio-engineering van de Universiteit van Tokio.

"Spectrum Shuttle biedt een breed scala aan GHz-burstpulsen met intervallen variërend van 10 picoseconden tot 10 nanoseconden. Ik geloof dat toepassingen op basis van onze techniek, gericht op verschillende doelen zoals plasma's, metalen en cellen, wetenschappelijke ontdekkingen en technologische innovaties zullen versnellen in de industrie en de geneeskunde."

De innovatieve techniek opent mogelijkheden voor het bevorderen van ultrasnelle beeldvorming, met implicaties voor zowel wetenschappelijk onderzoek als industriële toepassingen. Het vermogen om tegelijkertijd GHz-burstpulsen te produceren en vorm te geven, introduceert een veelzijdig hulpmiddel voor het bestuderen van snelle verschijnselen en het verbeteren van op laser gebaseerde processen.

Meer informatie: Keitaro Shimada et al, Spectrumshuttle voor het produceren van ruimtelijk vormbare GHz-burstpulsen, Advanced Photonics Nexus (2023). DOI:10.1117/1.APN.3.1.016002

Geleverd door SPIE