Ultrakurze Pulse spielen in spektroskopischen Anwendungen eine bedeutende Rolle. Ihre große spektrale Bandbreite ermöglicht die gleichzeitige Charakterisierung der Probe bei verschiedenen Frequenzen, sodass keine wiederholten Messungen oder Laserabstimmungen erforderlich sind. Darüber hinaus ermöglicht ihre extreme zeitliche Beschränkung eine zeitliche Isolierung der Probenantwort vom Hauptanregungsimpuls.
Diese Reaktion, die umfassende spektroskopische Informationen enthält, dauert einige zehn Femtosekunden bis Nanosekunden (10−15 bis 10−9 Sekunden) und wird üblicherweise durch einen kürzeren Puls mit verschiedenen Zeitverzögerungen untersucht. In Kombination mit anderen Techniken wie der mehrdimensionalen kohärenten Spektroskopie oder der hyperspektralen Bildgebung erleichtert die ultraschnelle Spektroskopie die Identifizierung unbekannter Bestandteile.
Allerdings stößt das Ziel von Echtzeitmessungen auf Hindernisse, vor allem aufgrund der umfangreichen Datenaufzeichnung, die über das gesamte Spektrum hoher Bandbreite für jedes Pixel erforderlich ist, was zu erheblichen Verzögerungen bei der Datenerfassung, einer Verlängerung der Verarbeitungszeit und einem zunehmenden Datenvolumen führt.
Forscher haben eine Technik entwickelt, um die spektroskopische Analyse zu beschleunigen. Kilian Scheffter, Doktorand bei Hanieh Fattahi, Leiter der Gruppe „Femtosekunden-Feldoskopie“ am MPL, erklärt: „Die Reaktion von Molekülen auf ultrakurze Anregungspulse ist in vielen Proben typischerweise spärlich, was bedeutet, dass die Reaktion nur bei bestimmten Frequenzen auftritt.“ sogenannte molekulare Fingerabdrücke.“
„Durch die strategische Randomisierung der Messzeitpunkte kann ein etablierter Ansatz namens Compressed Sensing das Signal effizient rekonstruieren, indem er weniger Datenpunkte verwendet, als durch das Nyquist-Kriterium vorgegeben. Die größte Herausforderung bestand jedoch darin, die zeitliche Überlappung der Sonde zu ändern.“ Pulse und die Femtosekunden-Anregungspulse zufällig.
„In Zusammenarbeit mit unseren Partnern in Deutschland und Frankreich haben wir akustische Wellen erfolgreich eingesetzt, um diese zeitliche Überlappung zufällig zu modulieren. Diese Innovation erweitert die Anwendung von Compressed Sensing auf spektroskopische Echtzeitmessungen.“
„Die Beschleunigung der Zeitbereichsspektroskopie bietet mehrere Vorteile, zum Beispiel durch die Vereinfachung der markierungsfreien Bildgebung fragiler Proben, die Echtzeit-Umweltüberwachung und Open-Air-Diagnose toxischer und gefährlicher Gase sowie die molekulare Endoskopie“, sagt Dr. Hanieh Fattahi.
Die Arbeit ist veröffentlicht im Tagebuch Ultraschnelle Wissenschaft.
Mehr Informationen:
Hanieh Fattahi et al., Compressed Sensing of Field-resolved Molecular Fingerprint Beyond the Nyquist Frequency, Ultraschnelle Wissenschaft (2024). DOI: 10.34133/ultrafastscience.0062