Революционный метод генерирует сверхкороткие мощные лазерные импульсы

• Ученые генерируют импульсы короче периода волны, используя оптический параметрический усилитель. 
• Его можно использовать для наблюдения за движением электронов внутри атомов. 

За последние несколько лет высокоэнергетические импульсы среднего инфракрасного диапазона с несколькими циклами привлекли большой интерес благодаря их многочисленным применениям, включая двумерную инфракрасную спектроскопию, субфемтосекундную электронную эмиссию, визуализацию соединений с временным разрешением, когерентное мягкое рентгеновское излучение и генерацию некогерентного жесткого рентгеновского излучения.

Недавно ученые из Сингапурского института производственных технологий A*STAR (Агентства по науке, технологиям и исследованиям) создали лазерный синтезатор, который генерирует инфракрасные импульсы короче периода волны.

Это может позволить исследователям изучать движение электронов внутри атомов. Поскольку длины волн этих ультракоротких импульсов попадают в диапазон среднего инфракрасного диапазона, они легко поглощаются различными атомами и молекулами.

Новый лазерный синтезатор

Внутри атомов электроны перемещаются из одной энергетической зоны в другую за фемтосекунды (10–15 секунд) или даже аттосекунды (10–18 секунд). Из-за таких исключительных временных масштабов ученым нужны мощные ультракороткие лазерные импульсы для наблюдения и анализа таких событий.

Один из способов их производства — подвергать нелинейные кристаллы очень коротким и чрезвычайно интенсивным инфракрасным импульсам. Однако команда не просто внедрила традиционные методологии, но и усовершенствовала способ создания коротких импульсов среднего инфракрасного диапазона.

Для генерации импульсов короче периода волны необходима широкая спектральная полоса пропускания. Предыдущие исследования сочетают в себе преимущества нескольких спектральных покрытий для достижения такой широкой полосы пропускания, что является очень сложной и сложной задачей. Вам необходимо точно контролировать относительную амплитуду и фазу отдельных плюсов, используя различную шумозащитную аппаратуру.

Чтобы упростить задачу, ученые использовали устройство под названием оптический параметрический усилитель — источник света, который излучает два лазерных импульса различной длины волны. Фазы и амплитуды этих двух импульсов можно настроить относительно друг друга.

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

Разработанный ими усилитель излучает импульсы с очень короткой временной задержкой, поэтому они сливаются в широкополосный импульс, не требуя какой-либо дополнительной системы контроля шума. Можно сделать итоговый импульс даже короче периода волны, поскольку деструктивная интерференция обрезает импульс по краям, а конструктивная интерференция возникает в его центре.

Изображение предоставлено:Венский технологический университет

Когда эти ультракороткие импульсы направляются на определенные твердые материалы, они вызывают излучение фотонов высокой энергии в областях с высоким ультрафиолетом. Эти фотоны высокой энергии можно в дальнейшем использовать для исследования процессов, происходящих внутри атома, которые происходят за аттосекунды.

В этом исследовании исследователи использовали импульсы среднего инфракрасного диапазона для создания фотонов высокой энергии в тонких листах кремния. В частности, они продемонстрировали высокоэнергетический синтезатор импульсов среднего инфракрасного диапазона, охватывающий полосу пропускания от 2,5 до 9,0 микрометров, и стимулировали генерацию высоких гармоник в тонких образцах кремния, чтобы продемонстрировать изолированные взаимодействия в сильном поле в твердых телах. Длительность синтезированного импульса составила примерно 12,4 фемтосекунды, что соответствует 0,88 оптического цикла на длине волны около 4,2 микрометра.

Что дальше?

В следующей работе команда создаст изолированные электронные импульсы из других материалов, что позволит отслеживать еще более быстрые процессы внутри атомов.

Читайте:Самый мощный лазер, способный разрушить вакуум и создать антиматерию

Более того, достижения в области лазерной накачки потенциально могут подтолкнуть источник среднего инфракрасного субцикла к пиковой мощности, чтобы стимулировать сильное взаимодействие в газообразных средах.