Прорывной метод генерирует ультракороткие высокомощные лазерные импульсы

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

За последние несколько лет высокоэнергетические малоциклические среднеинфракрасные импульсы привлекли много интереса благодаря своим многочисленным применениям, включая 2D инфракрасную спектроскопию, субфемтосекундную электронную эмиссию, временно-разрешенное изображение соединений, генерацию когерентных мягких рентгеновских и некогерентных жестких рентгеновских лучей.

Недавно ученые из A*STAR (Агентства по науке, технологиям и исследования) Сингапурского института производственных технологий построили лазерный синтезатор, генерирующий инфракрасные импульсы короче периода волны.

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

Новый лазерный синтезатор

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

Один способ их производства — экспонирование нелинейных кристаллов очень коротким, экстремально интенсивным инфракрасным импульсам. Однако команда не просто реализовала традиционные методологии, они улучшили способ создания коротких среднеинфракрасных импульсов.

Для генерации импульсов короче периода волны требуется широкая спектральная полоса пропускания. Предыдущие исследования комбинировали импульсы с множественными спектральными покрытиями для достижения таких больших полос, что является высоко сложной и трудной задачей. Вам нужно точно контролировать относительную амплитуду и фазу отдельных импульсов, используя разное шумоподавляющее оборудование.

Чтобы упростить вещи, ученые использовали устройство под названием оптический параметрический усилитель — источник света, излучающий два лазерных импульса переменных длин волн. Фазы и амплитуды этих двух импульсов могут быть сконфигурированы 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 ширкополосный импульс без необходимости какой-либо дополнительной шумоконтролирующей системы. Возможно сделать финальный импульс даже короче периода волны, потому что деструктивная интерференция обрезает импульс по краям, в то время как конструктивная интерференция происходит в его центре.

Когда эти ультракороткие импульсы направляются на конкретные твердые материалы, они вызывают эмиссию высокоэнергетических фотонов в высоко-УФ областях. Эти высокоэнергетические фотоны могут быть далее использованы для исследования процессов внутри атома, происходящих на временной шкале аттосекунд.

В этом исследовании ученые использовали среднеинфракрасные импульсы для производства высокоэнергетических фотонов в тонких слоях кремния. Более конкретно, они продемонстрировали высокоэнергетический синтезатор среднеинфракрасных импульсов, покрывающий полосу пропускания от 2.5 до 9.0 микрометров, и привели генерацию высоких гармоник в тонких образцах кремния, чтобы показать изолированные сильные-полевые взаимодействия в твердых телах. Ширина синтезированного импульса наблюдалась примерно в 12.4 фемтосекунды, соответствующие 0.88 оптическому циклу при примерно 4.2 микрометрах.

Что дальше?

В следующей работе команда создаст изолированные электронные импульсы из других материалов, что позволит инспекцию еще более быстрых процессов внутри атомов.

Читайте: Самый мощный лазер, который может разорвать вакуум для генерации антиматерии

Более того, прогресс в технологиях насосных лазеров потенциально может толкнуть среднеинфракрасный субциклический источник к пиковым мощностям для управления высокопольными взаимодействиями в газообразных средах.