[論文レビュー] Cavity-Enhanced Ultrafast Transient Absorption Spectroscopy

Melanie A. R. Reber, Yuning Chen+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 10, 2015

Spectroscopy and Laser Applications参考文献 48被引用数 25

ひとこと要約

本論文は、周波数コンブレーザーと高フィネス光キャビティを用いて、ポンプパルスおよびプローブパルスを同時に増幅するキャビティ強化型超高速一時的吸光度分光法（CE-TAS）を提案する。この手法により、一時的吸光度測定のノイズフロアがΔOD = 2×10⁻¹⁰に達し、OD ≈ 10⁻⁸にまで低い光学密度を示す極めて希釈な試料の検出が可能となり、超高速分光法が分子ビームや低濃度系へ応用可能となる。

ABSTRACT

We present a new technique using a frequency comb laser and optical cavities for performing ultrafast transient absorption spectroscopy with improved sensitivity. Resonantly enhancing the probe pulses, we demonstrate a sensitivity of $Δ$OD $ = 1 imes 10^{-9}/\sqrt{\mbox{Hz}}$ for averaging times as long as 30 s per delay point ($Δ$OD$_{min} = 2 imes 10^{-10}$). Resonantly enhancing the pump pulses allows us to produce a high excitation fraction at high repetition-rate, so that signals can be recorded from samples with optical densities as low as OD $\approx 10^{-8}$, or column densities $< 10^{10}$ molecules/cm$^2$. This high sensitivity enables new directions for ultrafast spectroscopy.

研究の動機と目的

• 希釈または弱い吸収を示す試料に対して従来の超高速一時的吸光度分光法に見られる感度の限界を克服すること。
• 従来の手法では到達不可能であった、ガス相クラスターなどの分子ビームや低密度積層系における超高速分光法の実現。
• 高フィネスキャビティ内でポンプおよびプローブパルスを共に共鳴増幅することで、励起効率を損なわず高感度を達成すること。
• 量子材料や質量選別されたイオンクラスターなど、弱い励起が求められる系への超高速光学分光法の応用拡大。
• ポンププローブ分光法の高時間分解能とキャビティ強化検出の感度を組み合わせた手法の実証。

提案手法

• 87 MHz繰り返し周波数の周波数コンブレーザーを用い、ポンプおよびプローブビームの両方に120 fsパルス列を生成する。
• プローブパルスの共鳴増幅に用いるキャビティとポンプパルスの共鳴増幅に用いるキャビティの2つの高フィネス光キャビティを採用し、それぞれのフィネスF ≈ 1000を達成する。
• 共鳴増幅により、光と試料との有効相互作用時間が延長され、一時的吸光度信号がF/π ≈ 300倍に増幅される。
• ポンプおよびプローブパルスをキャビティの往復時間（自由スペクトル範囲）に同期させることで、複数往復にわたる信号のコherentな蓄積が可能となる。
• 安定した低ノイズ動作を実現するため、プローブキャビティを電気光学モジュレータ（EOM）を用いて周波数コンブにロックする。
• 試料は700 µmノズルを通じたスラスト拡張を用いて導入され、希釈と冷却ポンプを用いてバックグラウンド圧力を最小限に抑えることで、分子ビーム密度を制御する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 キャビティ強化型一時的吸光度分光法は、超高速測定において10億分の1未満の感度を達成できるか？
• RQ2 ポンプおよびプローブパルスを同時に共鳴増幅することで、OD ≈ 10⁻⁸にまで低い光学密度の試料においても高感度検出が可能になるか？
• RQ3 共鳴ポンプ増幅により、高繰り返し周波数でも信号対雑音比を損なわず、高い励起分率を達成できるか？
• RQ4 この手法は、分子ビームや質量選別クラスターなどの希釈で一時的な系へ応用可能か？
• RQ5 キャビティ強化構成における一時的吸光度の究極的感度限界は何か？ また、既存手法と比較してどうなるか？

主な発見

• 30秒間の遅延ポイントあたりの平均化時間において、ノイズフロアがΔOD = 2×10⁻¹⁰に達し、従来の結果と比較して5,000倍の感度向上を達成した。
• プローブキャビティによる信号増幅は約300倍（F/π）であり、1×10⁻⁹/√Hzの小さな一時的吸光度変化の検出が可能となった。
• ポンプパルスの共鳴増幅により、最大で約50 Wの平均パワーを達成でき、分子の効率的励起が可能となり、OD ≈ 10⁻⁸にまで低い光学密度の試料の測定が可能となった。
• I₂の断面積が約3×10⁻¹⁸ cm²の場合、これは10¹⁰個/cm²未満の積層密度に対応し、小規模なガス相クラスターの研究が可能となる。
• 従来の超高速分光法では到達不可能な極めて希釈な系、例えば分子ビームや質量選別イオンクラスターの検出が可能となった。
• 安定した低ノイズ周波数コンブレーザーを用い、120 fsの時間分解能を達成し、キャビティロック方式により長時間にわたる安定性を維持し、高感度測定が可能となった。