Doorbraakmethode genereert ultrakorte, hoogvermogen laserpulsen

• Wetenschappers genereren pulsen korter dan de golflengteperiode, met behulp van een optische parametrische versterker.
• Het kan gebruikt worden om te observeren hoe elektronen binnen atomen bewegen.

De afgelopen jaren hebben hoge-energie, few-cycle mid-infraroodpulsen veel belangstelling getrokken vanwege hun talloze toepassingen, waaronder 2D infraroodspectroscopie, sub-femtoseconde elektronenemissie, tijdsopgeloste imaging van verbindingen, coherente zachte X-ray en incoherente harde X-ray-generatie.

Onlangs bouwden wetenschappers van A*STAR's (Agency for Science, Technology and Research) Singapore Institute of Manufacturing Technology een lasersynthesizer die infraroodpulsen genereert korter dan de golflengteperiode.

Dit kan onderzoekers in staat stellen de bewegingen van elektronen binnen atomen te bestuderen. Aangezien de golflengtes van deze ultrakorte pulsen vallen onder het bereik van mid-infrarood, worden ze gemakkelijk geabsorbeerd door diverse atomen en moleculen.

De nieuwe lasersynthesizer

Binnen atomen bewegen elektronen van de ene energieband naar de andere in femtoseconden (10⁻¹⁵ seconde) of zelfs attoseconden (10⁻¹⁸ seconde). Vanwege deze uitzonderlijke tijdschalen hebben wetenschappers hoogvermogen, ultrakorte laserpulsen nodig om dergelijke gebeurtenissen te observeren en te analyseren.

Één manier om ze te produceren is het blootstellen van niet-lineaire kristallen aan heel korte, extreem intense infraroodpulsen. Het team implementeerde echter niet alleen de traditionele methodologieën, ze verbeterden de manier van het maken van korte mid-infraroodpulsen.

Om pulsen korter dan de golflengteperiode te genereren, heeft men een breed spectrumbandbreedte nodig. Eerdere studies combineerden pulsen met meerdere spectrale dekking om dergelijke grote bandbreedtes te bereiken, wat een zeer moeilijke en complexe taak is. Je moet de relatieve amplitude en fase van individuele pulsen precies controleren, met behulp van verschillende ruiscontrole-apparatuur.

Om dingen eenvoudiger te maken, gebruikten wetenschappers een apparaat genaamd optische parametrische versterker — een lichtbron die twee laserpulsen met variabele golflengtes emiteert. De fasen en amplitudes van deze twee pulsen kunnen relatief tot elkaar geconfigureerd worden.

Referentie: Nature Communications | doi:10.1038/s41467-017-00193-4

De versterker die ze ontwikkelden emiteert pulsen met een heel korte tijdsvertraging, zodat ze samensmelten tot een breedbandpuls zonder enige additionele ruiscontrolesysteem. Het is mogelijk de eindpuls nog korter te maken dan de golflengteperiode omdat destructieve interferentie de puls aan de randen afkapt, terwijl constructieve interferentie plaatsvindt in het centrum.

Afbeeldingscredit: Vienna University of Technology

Wanneer deze ultrakorte pulsen op specifieke vaste materialen gericht worden, triggeren ze de emissie van hoge-energie fotonen in hoge-ultraviolet gebieden. Deze hoge-energie fotonnen kunnen verder gebruikt worden om de processen die binnen een atoom gaan te onderzoeken, wat gebeurt op een tijdsschaal van attoseconden.

In deze studie gebruikten onderzoekers mid-infraroodpulsen om hoge-energie fotonnen in dunne siliciumbladen te produceren. Meer specifiek demonstreerden ze een hoge-energie, mid-infraroodpuls-synthesizer die het bandbreedtegebied van 2,5 tot 9,0 micrometer dekt, en high-harmonic generatie in dunne siliciummonsters aandraagden om de geïsoleerde strong-field interacties in vastestoffen te tonen. De gesynthetiseerde pulsbreedte werd waargenomen als ongeveer 12,4 femtoseconden, wat overeenkomt met 0,88 optische cyclus bij ongeveer 4,2 micrometer.

Wat is de volgende stap?

In het volgende werk zal het team geïsoleerde elektronenpulsen uit andere materialen creëren, wat inspectie van nog snelere processen binnen atomen mogelijk maakt.

Lees ook: De krachtigste laser die de vacuum kan breken om antimaterie te genereren

Bovendien kunnen vooruitgang in pump laser-technieken de mid-infrarood sub-cycle bron potentiëel naar piekvermogens duwen om high-field interacties in gasvormige media aan te drijven.