Baanbrekende methode genereert ultrakorte, krachtige laserpulsen

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

De afgelopen jaren hebben hoogenergetische midden-infraroodpulsen met weinig cycli veel belangstelling getrokken vanwege hun talrijke toepassingen, waaronder 2D-infraroodspectroscopie, sub-femtoseconde elektronenemissie, tijdsopgeloste beeldvorming van verbindingen, coherente zachte röntgenstraling en onsamenhangende harde röntgenstraling.

Onlangs hebben wetenschappers van het Singapore Institute of Manufacturing Technology van A*STAR (Agency for Science, Technology and Research) een lasersynthesizer gebouwd die infraroodpulsen genereert die korter zijn dan de golfperiode.

Dit zou onderzoekers in staat kunnen stellen de bewegingen van elektronen in atomen te bestuderen. Omdat de golflengten van deze ultrakorte pulsen binnen het bereik van het midden-infrarood vallen, worden ze gemakkelijk geabsorbeerd door verschillende atomen en moleculen.

De nieuwe lasersynthesizer

Binnen atomen verplaatsen elektronen zich van de ene energieband naar de andere in femtoseconden (10-15 seconden) of zelfs attoseconden (10-18 seconden). Vanwege deze uitzonderlijke tijdschalen hebben wetenschappers krachtige, ultrakorte laserpulsen nodig om dergelijke gebeurtenissen waar te nemen en te analyseren.

Eén manier om ze te produceren is door niet-lineaire kristallen bloot te stellen aan zeer korte, extreem intense infraroodpulsen. Het team implementeerde echter niet alleen de traditionele methodologieën, ze verbeterden ook de manier om korte midden-infraroodpulsen te creëren.

Om pulsen te genereren die korter zijn dan de golfperiode, is een brede spectrale bandbreedte nodig. Eerdere studies combineren pluspunten met meerdere spectrale dekkingen om zulke grote bandbreedtes te bereiken, wat een zeer moeilijke en complexe taak is. Je moet de relatieve amplitude en fase van individuele plussen nauwkeurig regelen, met behulp van verschillende apparatuur voor geluidsbeheersing.

Om het allemaal vrij eenvoudig te maken, gebruikten wetenschappers een apparaat dat optische parametrische versterker wordt genoemd:een lichtbron die twee laserpulsen met variabele golflengten uitzendt. De fasen en amplitudes van deze twee pulsen kunnen ten opzichte van elkaar worden geconfigureerd.

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

De door hen ontwikkelde versterker zendt pulsen uit met een zeer korte tijdsvertraging, waardoor ze samensmelten tot een puls met een brede bandbreedte zonder dat er een extra geluidsbeheersingssysteem nodig is. Het is mogelijk om de laatste puls zelfs korter te maken dan de golfperiode, omdat destructieve interferentie de puls aan de randen afsnijdt, terwijl constructieve interferentie in het midden optreedt.

Afbeelding tegoed:Technische Universiteit Wenen

Wanneer deze ultrakorte pulsen op specifieke vaste materialen worden gericht, veroorzaken ze de emissie van hoogenergetische fotonen in hoog-ultraviolette gebieden. Deze hoogenergetische fotonen kunnen verder worden gebruikt om de processen te onderzoeken die plaatsvinden in een atoom, wat plaatsvindt op een tijdschaal van attoseconden.

In deze studie gebruikten onderzoekers midden-infraroodpulsen om hoogenergetische fotonen te produceren in dunne lagen silicium. Meer specifiek demonstreerden ze een hoogenergetische midden-infraroodpulssynthesizer die de bandbreedte van 2,5 tot 9,0 micrometer bestrijkt, en stimuleerden ze hoogharmonische generatie in dunne siliciummonsters om de geïsoleerde sterke veldinteracties in vaste stoffen aan 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 het volgende?

In het volgende werk zal het team geïsoleerde elektronenpulsen uit andere materialen creëren, waardoor inspectie van nog snellere processen binnen atomen mogelijk wordt.

Lees:De krachtigste laser die het vacuüm kan doorbreken om antimaterie te genereren

Bovendien zou de vooruitgang in pomplasertechnieken de mid-infrarode subcyclusbron mogelijk naar piekvermogens kunnen duwen om hoogveldinteracties in gasvormige media te stimuleren.