Команда исследователей из Института Макса Борна смогла полностью охарактеризовать световые импульсы длительностью в несколько фемтосекунд, перестраиваемые в вакуумном ультрафиолетовом диапазоне. Эти результаты открывают возможности для изучения динамики валентных электронов многих материалов в ВУФ-диапазоне.
Исследование [опубликовано](https://www.nature.com/articles/s41566-025-01770-6) в журнале Nature Photonics.
Перестраиваемые импульсы в ультрафиолетовом диапазоне
Импульсы длительностью в несколько фемтосекунд в ультрафиолетовом диапазоне — это цель современной лазерной науки. Поскольку большинство материалов имеют электронные резонансы в глубоком и вакуумном ультрафиолетовом (ВУФ) диапазонах, такие импульсы позволяют изучать динамику валентных электронов с беспрецедентным временным разрешением.
Однако из-за соотношения Крамерса-Кронига близость резонансов вызывает высокую дисперсию материалов, что делает работу с такими импульсами и их измерение чрезвычайно сложными.
Джон К. Траверс разработал технику, которая идеально подходит для генерации настраиваемых УФ-импульсов уровня мДж с широкой перестройкой вплоть до 110 нм.
Эта техника использует резонансное дисперсионное излучение (RDW) после солитонного самосжатия в волноводах. Для этого требуются высококачественные полые волноводы, которые стали доступны благодаря растягиванию гибких капилляров — изобретению последнего автора текущей работы в Институте Макса Борна вместе с Петером Саймоном из Institut für Nanophotonik Göttingen e.V., Германия.
Благодаря непрерывной разработке группы Траверса техника RDW теперь используется для исследований в широком спектральном диапазоне вплоть до глубокого ультрафиолетового (~230 нм). Однако более короткие длины волн ВУФ-диапазона (100–200 нм) ещё не исследованы из-за огромных технических трудностей, связанных с высоким поглощением и чрезмерной дисперсией материалов в этом диапазоне.
Учёные из Института Макса Борна в Берлине, Германия, успешно расширили возможности использования техники RDW до ВУФ-спектрального диапазона.
Они полностью охарактеризовали импульсы длительностью в несколько фс, настроенные в диапазоне от 160 до 190 нм, с помощью метода, который они называют электронной FROG. Это вариант частотно-разрешённого оптического стробирования (FROG) с использованием двухфотонной ионизации благородных газов в качестве нелинейности.
Во время измерения записывается спектр кинетической энергии фотоэлектронов в зависимости от задержки между двумя репликами импульсов, ионизирующими газовую мишень. Записанные двумерные спектрограммы содержат информацию о форме импульса, которую можно извлечь с помощью итеративного алгоритма восстановления фазы.
Однако в отличие от стандартных полностью оптических следов FROG следы электронной FROG зависят не только от формы импульса, но и содержат отпечаток атомной структуры мишени.
Для этого был разработан специальный код восстановления фазы, основанный на алгоритме дифференциальной эволюции. Измерения были проверены серией проверок, включая сравнение результатов с расчётами ab initio квантово-механическими (TDSE).
Измерительные данные
Измерения in situ показывают, что сгенерированные с помощью RDW импульсы ВУФ-диапазона имеют длительность 2–3 фс, что соответствует прежним прогнозам, основанным на моделировании.
Аппарат электронной FROG также использовался для pump-probe измерений на серии небольших органических молекул, таких как этилен. Эти измерения, проведённые с беспрецедентным временным разрешением, пролили новый свет на раннюю динамику релаксации после фотовозбуждения.
В настоящее время измеренные данные анализируются и сравниваются с молекулярно-динамическим моделированием.
Открытый макроскоп для визуализации люминесценции
Команда европейских исследователей разработала универсальный инструмент для визуализации люминесценции с открытым исходным кодом, предназначенный для демократизации доступа к передовым методам флуоресценции и электролюминесценции в различных дисциплинах — от наук о растениях до исследований материалов.
Новая система, [подробно описанная в Optics Express](https://doi.org/10.1364/OE.570450), предлагает доступную и настраиваемую альтернативу специализированным лабораторным установкам и была разработана при поддержке проекта DREAM.
Устройство, описанное как люминесцентный макроскоп с динамическим освещением, сочетает в себе гибкость, доступность и точность на единой платформе. В отличие от обычных инструментов визуализации, которые часто ограничены фиксированными оптическими архитектурами, макроскоп поддерживает сложные протоколы освещения и обнаружения с временным разрешением.
Исследователи могут программировать произвольные последовательности модуляции света, синхронизировать несколько длин волн и записывать высокоскоростные ответы, сохраняя при этом совместимость с различными типами образцов — от горшечных растений до фотоэлектрических устройств.
Люминесцентная визуализация стала краеугольным камнем современной науки, способной выявить молекулярные и физиологические процессы, невидимые невооружённым глазом. Однако внедрение передовых протоколов освещения обычно требует глубоких знаний в области оптики, электроники и разработки программного обеспечения.
«Наша цель состояла в том, чтобы устранить этот барьер», — сказал соавтор-руководитель доктор Ян Когхилл из Высшей нормальной школы в Париже. «Мы создали систему, которую другие могут легко воспроизвести без специальной подготовки».
Команда предоставляет открытый доступ ко всему набору ресурсов — файлам компьютерного проектирования (CAD), подробным инструкциям по сборке, протоколам калибровки и программному обеспечению для управления на основе Python. Вся система может быть собрана менее чем за 25 000 евро, используя в основном готовые компоненты и компоненты, напечатанные на 3D-принтере. Это делает её доступной для небольших лабораторий и междисциплинарных групп для проведения экспериментов, ранее предназначавшихся для высокопроизводительных специализированных установок.
Дизайн макроскопа предусматривает использование нескольких источников освещения в диапазоне от ультрафиолетового до ближнего инфракрасного (405–740 нм) и поддерживает синхронизированную визуализацию до 100 кадров в секунду. Он может применять индивидуальные последовательности модуляции — синусоидальные, импульсные или пользовательские — для исследования кинетики фотоактивных систем.
Исследовательская группа продемонстрировала свои возможности в широком спектре приложений.
«Эти примеры — лишь малая часть того, что возможно», — отметил доктор Людовик Жуллиен, старший автор и координатор проекта DREAM. «Сочетая открытое аппаратное обеспечение с программируемым освещением, мы надеемся обеспечить как фундаментальные исследования, так и практические инновации в таких разнообразных областях, как [биология растений](https://phys.org/tags/plant+biology/), фотоника и возобновляемые источники энергии».
В соответствии с принципами открытой науки проекта DREAM все [файлы сборки, сценарии анализа и экспериментальные данные находятся в свободном доступе](https://doi.org/10.5281/zenodo.15632945) через Zenodo. Исследователи приглашают научное сообщество адаптировать дизайн к своим потребностям, модифицировать его для новых оптических модальностей или включить в автоматизированные рабочие процессы визуализации.
«Это не одноразовый прототип», — сказал Когхилл. «Это платформа, на которой другие могут строить — доступный шлюз для изучения динамической фотофизики».