Kerneløsninger når optimalt ekstreme lysimpulser

Efterhånden som forsker undersøger naturen mere præcist med laserimpulser, sigter man nu mod zeptosekund-regimet - en billiontedel af en milliardtedel af et sekund og den hurtigste målte tidsskala - optimering af hver parameter af disse impulser kan tilbyde mere finjusterede målinger af endnu ukendte dynamiske egenskaber. Laserbølgelængden, varighed og energi af hver puls, og hastigheden, hvormed pulser produceres, er alle nøglefaktorer i observation af dynamik, såsom realtidselektronbevægelser af enkelte molekyler sammen med bevægelsen af ​​konsistente atomer.

lang bølgelængde (infrarød), højenergiimpulser produceret hundredtusindvis af gange i sekundet er stadig meget vanskelige at producere. Det er nødvendige betingelser, imidlertid, til at skabe røntgenstråling med tilstrækkelig energi til at overvinde vandinteraktioner, som i øjeblikket begrænser brugen af ​​røntgenmikroskopi af levende prøver.

Et europæisk-baseret forskningssamarbejde mellem The Institute of Photonic Sciences (ICFO), Spanien, og Max Planck Institute for Science of Light (MPL), Tyskland, rapporterer nu udviklingen af ​​en sådan kilde, producerer 9,6 watt mid-infrarøde (mid-IR) pulser, ved en gentagelseshastighed på 160 kilohertz, ved at bruge en innovativ fibergeometri og parametrisk forstærker sammen.

Hver impuls består af en enkelt cyklus af den optiske bølge genereret fra en gasfyldt, hulkerne fotonisk krystalfiber, der ikke kræver ekstern kompression, en ekstern signalbehandling, som andre systemer typisk kræver for at producere sådanne rene impulser. Resultaterne af denne forskning vil blive præsenteret under OSA Laser Congress, 1-5 oktober 2017 i Nagoya, Japan.

"Betydningen af ​​vores arbejde er opnåelsen af ​​pulsgenerering ved den ultimative fysiske grænse af en svingning af det elektriske felt i midt-IR, og med hidtil uset kraft, " sagde Ugaitz Elu, en ph.d.-studerende ved ICFO og medlem af forskerteamet. "Det elektriske felt er reproducerbart, bærer-til-konvolut-fase stabil, og anvendelsen til stærk feltfysik og høj harmonisk generering skulle føre til de første isolerede bølgeformer i det hårde røntgen- og zeptosekundeområde."

En vital del af at producere sådanne korte impulser involverer deres udvidelse og præcise kompression. For at overlappe spektret af frekvenser korrekt, holdet arbejdede på at producere den endelige optiske pulsbølge.

Kvidrede spejle, som består af flere stablede belægninger for at reflektere hver del af spektrene separat, bruges ofte i fiberlasersystemer for at opnå denne kompression eksternt efter udvidelse i fiberens gasfyldte kerne. I midten af ​​IR-regionen, imidlertid, fiberen ville absorbere energien fra pulserne, før den opnåede nogen form for spektral udvidelse og ødelægge den. Geometrien implementeret af Elu og hans samarbejdspartnere springer helt over denne brug af kvidrede spejle, og opnår både udvidelse og kompression i fiberen.

"Her, vi brugte en specifikt designet fotonisk båndgab-fiber, hvis geometri undgår en sådan absorption, " sagde Elu. "Vi kan opnå udvidelse og kompression i den samme fiber uden nogen kvidrede spejle."

Energi- og tidsregimerne, som denne optiske bordpladekonfiguration viser, giver mulighed for en bred vifte af applikationer, mest bemærkelsesværdigt dem, der stammer fra de sammenhængende hårde røntgenstråler, som de gør opnåelige.

At have et værktøj til at fange dynamik med en sådan præcision ville åbne et vindue til at se, i realtid, de subatomære processer af elektroner, der absorberer og udsender energi under kemiske reaktioner. "Vores system er utroligt alsidigt, " sagde Elu. "For eksempel, vi bruger det til elektron-selvdiffraktion, hvormed vi kunne opløse alle atomer i et molekyle, mens en af ​​dets bindinger brød."