Abstract

A design for a passively phase-stable two-dimensional electronic spectroscopy experiment, based on a four-quadrant mirror concept, is introduced. The setup, which is particularly simple and robust, achieves subwavelength stability without the need for active stabilization or diffractive optical elements. Since only reflective optical components are used, the setup is suitable for few-cycle laser pulses and ultrabroad-bandwidth light in the ultraviolet, visible, and near-IR regions, with the capability to be used under grazing incidence for soft x ray or x-ray light at free-electron lasers.

© 2013 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. M. Cho, Chem. Rev. 108, 1331 (2008).
    [CrossRef]
  2. J. Zheng, K. Kwak, J. Asbury, X. Chen, I. R. Piletic, and M. D. Fayer, Science 309, 1338 (2005).
    [CrossRef]
  3. T. Brixner, J. Stenger, H. M. Vaswani, M. Cho, R. E. Blankenship, and G. R. Fleming, Nature 434, 625 (2005).
    [CrossRef]
  4. G. S. Engel, T. R. Calhoun, E. L. Read, T.-K. Ahn, T. Mančal, Y.-C. Cheng, R. E. Blankenship, and G. R. Fleming, Nature 446, 782 (2007).
    [CrossRef]
  5. X. Li, T. Zhang, C. N. Borca, and S. T. Cundiff, Phys. Rev. Lett. 96, 057406 (2006).
    [CrossRef]
  6. K. W. Stone, K. Gundogdu, D. B. Turner, X. Li, S. T. Cundiff, and K. A. Nelson, Science 324, 1169 (2009).
    [CrossRef]
  7. S. M. Gallagher, A. W. Albrecht, J. D. Hybl, B. L. Landin, B. Rajaram, and D. M. Jonas, J. Opt. Soc. Am. B 15, 2338 (1998).
    [CrossRef]
  8. J. D. Hybl, A. W. Albrecht, S. M. G. Faeder, and D. M. Jonas, Chem. Phys. Lett. 297, 307 (1998).
    [CrossRef]
  9. T. Zhang, C. Borca, X. Li, and S. Cundiff, Opt. Express 13, 7432 (2005).
    [CrossRef]
  10. A. D. Bristow, D. Karaiskaj, X. Dai, T. Zhang, C. Carlsson, K. R. Hagen, R. Jimenez, and S. T. Cundiff, Rev. Sci. Instrum. 80, 073108 (2009).
    [CrossRef]
  11. T. Brixner, I. V. Stiopkin, and G. R. Fleming, Opt. Lett. 29, 884 (2004).
    [CrossRef]
  12. M. Cowan, J. P. Ogilvie, and R. J. D. Miller, Chem. Phys. Lett. 386, 184 (2004).
    [CrossRef]
  13. J. C. Vaughan, T. Hornung, K. Stone, and K. A. Nelson, J. Phys. Chem. A 111, 4873 (2007).
    [CrossRef]
  14. U. Selig, F. Langhojer, F. Dimler, T. Löhrig, C. Schwarz, B. Gieseking, and T. Brixner, Opt. Lett. 33, 2851 (2008).
    [CrossRef]
  15. I. Schweigert and S. Mukamel, Phys. Rev. Lett. 99, 163001 (2007).
    [CrossRef]
  16. E. Harel, A. F. Fidler, and G. S. Engel, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 107, 16444 (2010).
    [CrossRef]
  17. J. D. Hybl, Y. Christophe, and D. M. Jonas, Chem. Phys. 266, 295 (2001).
    [CrossRef]
  18. J. D. Hybl, A. Yu, D. A. Farrow, and D. M. Jonas, J. Phys. Chem. A 106, 7651 (2002).
    [CrossRef]

2010 (1)

E. Harel, A. F. Fidler, and G. S. Engel, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 107, 16444 (2010).
[CrossRef]

2009 (2)

K. W. Stone, K. Gundogdu, D. B. Turner, X. Li, S. T. Cundiff, and K. A. Nelson, Science 324, 1169 (2009).
[CrossRef]

A. D. Bristow, D. Karaiskaj, X. Dai, T. Zhang, C. Carlsson, K. R. Hagen, R. Jimenez, and S. T. Cundiff, Rev. Sci. Instrum. 80, 073108 (2009).
[CrossRef]

2008 (2)

2007 (3)

I. Schweigert and S. Mukamel, Phys. Rev. Lett. 99, 163001 (2007).
[CrossRef]

J. C. Vaughan, T. Hornung, K. Stone, and K. A. Nelson, J. Phys. Chem. A 111, 4873 (2007).
[CrossRef]

G. S. Engel, T. R. Calhoun, E. L. Read, T.-K. Ahn, T. Mančal, Y.-C. Cheng, R. E. Blankenship, and G. R. Fleming, Nature 446, 782 (2007).
[CrossRef]

2006 (1)

X. Li, T. Zhang, C. N. Borca, and S. T. Cundiff, Phys. Rev. Lett. 96, 057406 (2006).
[CrossRef]

2005 (3)

J. Zheng, K. Kwak, J. Asbury, X. Chen, I. R. Piletic, and M. D. Fayer, Science 309, 1338 (2005).
[CrossRef]

T. Brixner, J. Stenger, H. M. Vaswani, M. Cho, R. E. Blankenship, and G. R. Fleming, Nature 434, 625 (2005).
[CrossRef]

T. Zhang, C. Borca, X. Li, and S. Cundiff, Opt. Express 13, 7432 (2005).
[CrossRef]

2004 (2)

T. Brixner, I. V. Stiopkin, and G. R. Fleming, Opt. Lett. 29, 884 (2004).
[CrossRef]

M. Cowan, J. P. Ogilvie, and R. J. D. Miller, Chem. Phys. Lett. 386, 184 (2004).
[CrossRef]

2002 (1)

J. D. Hybl, A. Yu, D. A. Farrow, and D. M. Jonas, J. Phys. Chem. A 106, 7651 (2002).
[CrossRef]

2001 (1)

J. D. Hybl, Y. Christophe, and D. M. Jonas, Chem. Phys. 266, 295 (2001).
[CrossRef]

1998 (2)

S. M. Gallagher, A. W. Albrecht, J. D. Hybl, B. L. Landin, B. Rajaram, and D. M. Jonas, J. Opt. Soc. Am. B 15, 2338 (1998).
[CrossRef]

J. D. Hybl, A. W. Albrecht, S. M. G. Faeder, and D. M. Jonas, Chem. Phys. Lett. 297, 307 (1998).
[CrossRef]

Ahn, T.-K.

G. S. Engel, T. R. Calhoun, E. L. Read, T.-K. Ahn, T. Mančal, Y.-C. Cheng, R. E. Blankenship, and G. R. Fleming, Nature 446, 782 (2007).
[CrossRef]

Albrecht, A. W.

S. M. Gallagher, A. W. Albrecht, J. D. Hybl, B. L. Landin, B. Rajaram, and D. M. Jonas, J. Opt. Soc. Am. B 15, 2338 (1998).
[CrossRef]

J. D. Hybl, A. W. Albrecht, S. M. G. Faeder, and D. M. Jonas, Chem. Phys. Lett. 297, 307 (1998).
[CrossRef]

Asbury, J.

J. Zheng, K. Kwak, J. Asbury, X. Chen, I. R. Piletic, and M. D. Fayer, Science 309, 1338 (2005).
[CrossRef]

Blankenship, R. E.

G. S. Engel, T. R. Calhoun, E. L. Read, T.-K. Ahn, T. Mančal, Y.-C. Cheng, R. E. Blankenship, and G. R. Fleming, Nature 446, 782 (2007).
[CrossRef]

T. Brixner, J. Stenger, H. M. Vaswani, M. Cho, R. E. Blankenship, and G. R. Fleming, Nature 434, 625 (2005).
[CrossRef]

Borca, C.

Borca, C. N.

X. Li, T. Zhang, C. N. Borca, and S. T. Cundiff, Phys. Rev. Lett. 96, 057406 (2006).
[CrossRef]

Bristow, A. D.

A. D. Bristow, D. Karaiskaj, X. Dai, T. Zhang, C. Carlsson, K. R. Hagen, R. Jimenez, and S. T. Cundiff, Rev. Sci. Instrum. 80, 073108 (2009).
[CrossRef]

Brixner, T.

Calhoun, T. R.

G. S. Engel, T. R. Calhoun, E. L. Read, T.-K. Ahn, T. Mančal, Y.-C. Cheng, R. E. Blankenship, and G. R. Fleming, Nature 446, 782 (2007).
[CrossRef]

Carlsson, C.

A. D. Bristow, D. Karaiskaj, X. Dai, T. Zhang, C. Carlsson, K. R. Hagen, R. Jimenez, and S. T. Cundiff, Rev. Sci. Instrum. 80, 073108 (2009).
[CrossRef]

Chen, X.

J. Zheng, K. Kwak, J. Asbury, X. Chen, I. R. Piletic, and M. D. Fayer, Science 309, 1338 (2005).
[CrossRef]

Cheng, Y.-C.

G. S. Engel, T. R. Calhoun, E. L. Read, T.-K. Ahn, T. Mančal, Y.-C. Cheng, R. E. Blankenship, and G. R. Fleming, Nature 446, 782 (2007).
[CrossRef]

Cho, M.

M. Cho, Chem. Rev. 108, 1331 (2008).
[CrossRef]

T. Brixner, J. Stenger, H. M. Vaswani, M. Cho, R. E. Blankenship, and G. R. Fleming, Nature 434, 625 (2005).
[CrossRef]

Christophe, Y.

J. D. Hybl, Y. Christophe, and D. M. Jonas, Chem. Phys. 266, 295 (2001).
[CrossRef]

Cowan, M.

M. Cowan, J. P. Ogilvie, and R. J. D. Miller, Chem. Phys. Lett. 386, 184 (2004).
[CrossRef]

Cundiff, S.

Cundiff, S. T.

A. D. Bristow, D. Karaiskaj, X. Dai, T. Zhang, C. Carlsson, K. R. Hagen, R. Jimenez, and S. T. Cundiff, Rev. Sci. Instrum. 80, 073108 (2009).
[CrossRef]

K. W. Stone, K. Gundogdu, D. B. Turner, X. Li, S. T. Cundiff, and K. A. Nelson, Science 324, 1169 (2009).
[CrossRef]

X. Li, T. Zhang, C. N. Borca, and S. T. Cundiff, Phys. Rev. Lett. 96, 057406 (2006).
[CrossRef]

Dai, X.

A. D. Bristow, D. Karaiskaj, X. Dai, T. Zhang, C. Carlsson, K. R. Hagen, R. Jimenez, and S. T. Cundiff, Rev. Sci. Instrum. 80, 073108 (2009).
[CrossRef]

Dimler, F.

Engel, G. S.

E. Harel, A. F. Fidler, and G. S. Engel, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 107, 16444 (2010).
[CrossRef]

G. S. Engel, T. R. Calhoun, E. L. Read, T.-K. Ahn, T. Mančal, Y.-C. Cheng, R. E. Blankenship, and G. R. Fleming, Nature 446, 782 (2007).
[CrossRef]

Faeder, S. M. G.

J. D. Hybl, A. W. Albrecht, S. M. G. Faeder, and D. M. Jonas, Chem. Phys. Lett. 297, 307 (1998).
[CrossRef]

Farrow, D. A.

J. D. Hybl, A. Yu, D. A. Farrow, and D. M. Jonas, J. Phys. Chem. A 106, 7651 (2002).
[CrossRef]

Fayer, M. D.

J. Zheng, K. Kwak, J. Asbury, X. Chen, I. R. Piletic, and M. D. Fayer, Science 309, 1338 (2005).
[CrossRef]

Fidler, A. F.

E. Harel, A. F. Fidler, and G. S. Engel, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 107, 16444 (2010).
[CrossRef]

Fleming, G. R.

G. S. Engel, T. R. Calhoun, E. L. Read, T.-K. Ahn, T. Mančal, Y.-C. Cheng, R. E. Blankenship, and G. R. Fleming, Nature 446, 782 (2007).
[CrossRef]

T. Brixner, J. Stenger, H. M. Vaswani, M. Cho, R. E. Blankenship, and G. R. Fleming, Nature 434, 625 (2005).
[CrossRef]

T. Brixner, I. V. Stiopkin, and G. R. Fleming, Opt. Lett. 29, 884 (2004).
[CrossRef]

Gallagher, S. M.

Gieseking, B.

Gundogdu, K.

K. W. Stone, K. Gundogdu, D. B. Turner, X. Li, S. T. Cundiff, and K. A. Nelson, Science 324, 1169 (2009).
[CrossRef]

Hagen, K. R.

A. D. Bristow, D. Karaiskaj, X. Dai, T. Zhang, C. Carlsson, K. R. Hagen, R. Jimenez, and S. T. Cundiff, Rev. Sci. Instrum. 80, 073108 (2009).
[CrossRef]

Harel, E.

E. Harel, A. F. Fidler, and G. S. Engel, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 107, 16444 (2010).
[CrossRef]

Hornung, T.

J. C. Vaughan, T. Hornung, K. Stone, and K. A. Nelson, J. Phys. Chem. A 111, 4873 (2007).
[CrossRef]

Hybl, J. D.

J. D. Hybl, A. Yu, D. A. Farrow, and D. M. Jonas, J. Phys. Chem. A 106, 7651 (2002).
[CrossRef]

J. D. Hybl, Y. Christophe, and D. M. Jonas, Chem. Phys. 266, 295 (2001).
[CrossRef]

J. D. Hybl, A. W. Albrecht, S. M. G. Faeder, and D. M. Jonas, Chem. Phys. Lett. 297, 307 (1998).
[CrossRef]

S. M. Gallagher, A. W. Albrecht, J. D. Hybl, B. L. Landin, B. Rajaram, and D. M. Jonas, J. Opt. Soc. Am. B 15, 2338 (1998).
[CrossRef]

Jimenez, R.

A. D. Bristow, D. Karaiskaj, X. Dai, T. Zhang, C. Carlsson, K. R. Hagen, R. Jimenez, and S. T. Cundiff, Rev. Sci. Instrum. 80, 073108 (2009).
[CrossRef]

Jonas, D. M.

J. D. Hybl, A. Yu, D. A. Farrow, and D. M. Jonas, J. Phys. Chem. A 106, 7651 (2002).
[CrossRef]

J. D. Hybl, Y. Christophe, and D. M. Jonas, Chem. Phys. 266, 295 (2001).
[CrossRef]

S. M. Gallagher, A. W. Albrecht, J. D. Hybl, B. L. Landin, B. Rajaram, and D. M. Jonas, J. Opt. Soc. Am. B 15, 2338 (1998).
[CrossRef]

J. D. Hybl, A. W. Albrecht, S. M. G. Faeder, and D. M. Jonas, Chem. Phys. Lett. 297, 307 (1998).
[CrossRef]

Karaiskaj, D.

A. D. Bristow, D. Karaiskaj, X. Dai, T. Zhang, C. Carlsson, K. R. Hagen, R. Jimenez, and S. T. Cundiff, Rev. Sci. Instrum. 80, 073108 (2009).
[CrossRef]

Kwak, K.

J. Zheng, K. Kwak, J. Asbury, X. Chen, I. R. Piletic, and M. D. Fayer, Science 309, 1338 (2005).
[CrossRef]

Landin, B. L.

Langhojer, F.

Li, X.

K. W. Stone, K. Gundogdu, D. B. Turner, X. Li, S. T. Cundiff, and K. A. Nelson, Science 324, 1169 (2009).
[CrossRef]

X. Li, T. Zhang, C. N. Borca, and S. T. Cundiff, Phys. Rev. Lett. 96, 057406 (2006).
[CrossRef]

T. Zhang, C. Borca, X. Li, and S. Cundiff, Opt. Express 13, 7432 (2005).
[CrossRef]

Löhrig, T.

Mancal, T.

G. S. Engel, T. R. Calhoun, E. L. Read, T.-K. Ahn, T. Mančal, Y.-C. Cheng, R. E. Blankenship, and G. R. Fleming, Nature 446, 782 (2007).
[CrossRef]

Miller, R. J. D.

M. Cowan, J. P. Ogilvie, and R. J. D. Miller, Chem. Phys. Lett. 386, 184 (2004).
[CrossRef]

Mukamel, S.

I. Schweigert and S. Mukamel, Phys. Rev. Lett. 99, 163001 (2007).
[CrossRef]

Nelson, K. A.

K. W. Stone, K. Gundogdu, D. B. Turner, X. Li, S. T. Cundiff, and K. A. Nelson, Science 324, 1169 (2009).
[CrossRef]

J. C. Vaughan, T. Hornung, K. Stone, and K. A. Nelson, J. Phys. Chem. A 111, 4873 (2007).
[CrossRef]

Ogilvie, J. P.

M. Cowan, J. P. Ogilvie, and R. J. D. Miller, Chem. Phys. Lett. 386, 184 (2004).
[CrossRef]

Piletic, I. R.

J. Zheng, K. Kwak, J. Asbury, X. Chen, I. R. Piletic, and M. D. Fayer, Science 309, 1338 (2005).
[CrossRef]

Rajaram, B.

Read, E. L.

G. S. Engel, T. R. Calhoun, E. L. Read, T.-K. Ahn, T. Mančal, Y.-C. Cheng, R. E. Blankenship, and G. R. Fleming, Nature 446, 782 (2007).
[CrossRef]

Schwarz, C.

Schweigert, I.

I. Schweigert and S. Mukamel, Phys. Rev. Lett. 99, 163001 (2007).
[CrossRef]

Selig, U.

Stenger, J.

T. Brixner, J. Stenger, H. M. Vaswani, M. Cho, R. E. Blankenship, and G. R. Fleming, Nature 434, 625 (2005).
[CrossRef]

Stiopkin, I. V.

Stone, K.

J. C. Vaughan, T. Hornung, K. Stone, and K. A. Nelson, J. Phys. Chem. A 111, 4873 (2007).
[CrossRef]

Stone, K. W.

K. W. Stone, K. Gundogdu, D. B. Turner, X. Li, S. T. Cundiff, and K. A. Nelson, Science 324, 1169 (2009).
[CrossRef]

Turner, D. B.

K. W. Stone, K. Gundogdu, D. B. Turner, X. Li, S. T. Cundiff, and K. A. Nelson, Science 324, 1169 (2009).
[CrossRef]

Vaswani, H. M.

T. Brixner, J. Stenger, H. M. Vaswani, M. Cho, R. E. Blankenship, and G. R. Fleming, Nature 434, 625 (2005).
[CrossRef]

Vaughan, J. C.

J. C. Vaughan, T. Hornung, K. Stone, and K. A. Nelson, J. Phys. Chem. A 111, 4873 (2007).
[CrossRef]

Yu, A.

J. D. Hybl, A. Yu, D. A. Farrow, and D. M. Jonas, J. Phys. Chem. A 106, 7651 (2002).
[CrossRef]

Zhang, T.

A. D. Bristow, D. Karaiskaj, X. Dai, T. Zhang, C. Carlsson, K. R. Hagen, R. Jimenez, and S. T. Cundiff, Rev. Sci. Instrum. 80, 073108 (2009).
[CrossRef]

X. Li, T. Zhang, C. N. Borca, and S. T. Cundiff, Phys. Rev. Lett. 96, 057406 (2006).
[CrossRef]

T. Zhang, C. Borca, X. Li, and S. Cundiff, Opt. Express 13, 7432 (2005).
[CrossRef]

Zheng, J.

J. Zheng, K. Kwak, J. Asbury, X. Chen, I. R. Piletic, and M. D. Fayer, Science 309, 1338 (2005).
[CrossRef]

Chem. Phys. (1)

J. D. Hybl, Y. Christophe, and D. M. Jonas, Chem. Phys. 266, 295 (2001).
[CrossRef]

Chem. Phys. Lett. (2)

M. Cowan, J. P. Ogilvie, and R. J. D. Miller, Chem. Phys. Lett. 386, 184 (2004).
[CrossRef]

J. D. Hybl, A. W. Albrecht, S. M. G. Faeder, and D. M. Jonas, Chem. Phys. Lett. 297, 307 (1998).
[CrossRef]

Chem. Rev. (1)

M. Cho, Chem. Rev. 108, 1331 (2008).
[CrossRef]

J. Opt. Soc. Am. B (1)

J. Phys. Chem. A (2)

J. D. Hybl, A. Yu, D. A. Farrow, and D. M. Jonas, J. Phys. Chem. A 106, 7651 (2002).
[CrossRef]

J. C. Vaughan, T. Hornung, K. Stone, and K. A. Nelson, J. Phys. Chem. A 111, 4873 (2007).
[CrossRef]

Nature (2)

T. Brixner, J. Stenger, H. M. Vaswani, M. Cho, R. E. Blankenship, and G. R. Fleming, Nature 434, 625 (2005).
[CrossRef]

G. S. Engel, T. R. Calhoun, E. L. Read, T.-K. Ahn, T. Mančal, Y.-C. Cheng, R. E. Blankenship, and G. R. Fleming, Nature 446, 782 (2007).
[CrossRef]

Opt. Express (1)

Opt. Lett. (2)

Phys. Rev. Lett. (2)

I. Schweigert and S. Mukamel, Phys. Rev. Lett. 99, 163001 (2007).
[CrossRef]

X. Li, T. Zhang, C. N. Borca, and S. T. Cundiff, Phys. Rev. Lett. 96, 057406 (2006).
[CrossRef]

Proc. Natl. Acad. Sci. USA (1)

E. Harel, A. F. Fidler, and G. S. Engel, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 107, 16444 (2010).
[CrossRef]

Rev. Sci. Instrum. (1)

A. D. Bristow, D. Karaiskaj, X. Dai, T. Zhang, C. Carlsson, K. R. Hagen, R. Jimenez, and S. T. Cundiff, Rev. Sci. Instrum. 80, 073108 (2009).
[CrossRef]

Science (2)

J. Zheng, K. Kwak, J. Asbury, X. Chen, I. R. Piletic, and M. D. Fayer, Science 309, 1338 (2005).
[CrossRef]

K. W. Stone, K. Gundogdu, D. B. Turner, X. Li, S. T. Cundiff, and K. A. Nelson, Science 324, 1169 (2009).
[CrossRef]

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (3)

Fig. 1.
Fig. 1.

Design of the four-quadrant split-mirror 2D spectroscopy setup. The spatial mask creates a box geometry. Mirrors 1 and 2 are fixed on independent piezoelectric stages to introduce the time delay for excitation pulses 1 and 2 (see inset), respectively. Mirrors 3 and 4 are static reflectors to send pulse 3 and the LO beam to the concave mirror. The inset shows the pulse sequence, as known from previous implementations of 2D spectroscopy.

Fig. 2.
Fig. 2.

Subwavelength stability of the design. (a) Spectral interferogram plotted from 80 to +80fs in 100 nm piezo steps, shown here for a fixed waiting time T70fs. The perfectly modulated subwavelength interference pattern demonstrates the high phase stability of the system. (b) Step-by-step fluctuation (phase difference per step) of the signal/LO relative phase at 793 nm [dashed line in (a)]. The low phase noise evidences the high phase stability.

Fig. 3.
Fig. 3.

2D spectral maps as a function of excitation (ωτ) and detection (ωt) frequency, at (a), (c) T=0fs and (b), (d) T70fs, in both amplitude (top) and phase (bottom). The contours are drawn in steps of 20% for amplitude and π/4 for phase. The dashed–dotted lines in the amplitude panels indicate the diagonal of equal excitation and detection frequency.

Metrics