Forskere opnår ekstrem-ultraviolet spektral kompression ved fire-bølge blanding

Forskere fra Max Born Institute for Nonlinear Optics and Short Pulse Spectroscopy (MBI) har udviklet en ny metode til at ændre den spektrale bredde af ekstremt ultraviolet (XUV) lys. Ved at anvende et nyt fasetilpasningsskema i firebølgeblanding, de kunne komprimere den spektrale bredde af det oprindelige bredbåndslys mere end hundrede gange. De detaljerede eksperimentelle og teoretiske resultater er blevet offentliggjort i Naturfotonik .

Lys, som udsendes af solen, består af mange bølgelængder og fremstår typisk som hvid. Sommetider, imidlertid, kun visse farver når vores øjne, fører til fantastiske fænomener som en efterglød. Til tekniske eller videnskabelige anvendelser, der kræver en bestemt farve, gitre og prismer kan bruges til at udvinde denne farve fra det hvide lys. Imidlertid, det meste af det indkommende lys går tabt under denne proces, og lysintensiteten ved udgangen er meget lav.

Ikke-lineære optiske teknikker har gjort det muligt at ændre lysets farve og ændre dets spektrale båndbredde uden at gå på kompromis med intensiteten. Som illustreret i fig. dette muliggør generering af lys med en bestemt farve fra bredbåndslys (såsom hvidt lys) eller omvendt. Disse teknikker anvendes i vid udstrækning inden for spektroskopi, billeddannelse, og til generering af ultrakorte laserimpulser. Imidlertid, ikke-lineære optiske teknikker er ikke let tilgængelige i XUV-området af det elektromagnetiske spektrum. Denne region er af stigende interesse for forskellige applikationer, herunder attosecond science og EUV litografi.

Et team af forskere fra Max Born Institute har for nylig demonstreret et nyt koncept til at generere smalbåndslaserimpulser i XUV-området. De kombinerede bredbånds hvidt lys i det synlige område med lys med et bredt spektrum i det vakuum-ultraviolette (VUV) område. Efter at begge disse lysimpulser samtidig forplantede sig gennem en tæt stråle af kryptonatomer, en ny laserimpuls i XUV-området blev genereret. Bemærkelsesværdigt, spektralbredden af ​​den nye XUV-impuls var mere end hundrede gange smallere sammenlignet med de oprindelige synlige og VUV-impulser.

Forskerne brugte en ordning kendt som fire-bølge blanding, hvor et kryptonatom absorberer to synlige fotoner og en VUV-foton, fører til emission af en XUV-foton. På grund af energibesparelser, den udsendte XUV-foton skal have en frekvens svarende til summen af ​​frekvenserne af alle tre absorberede fotoner. På samme tid, på grund af bevaring af momentum, hastigheden af ​​den indkommende lysbølge skal svare til hastigheden af ​​den udgående bølge inde i blandemediet. Denne hastighed ændrer sig meget hurtigt tæt på en atomresonans.

For at generere det smalbåndede XUV-laserbånd, forskerne valgte et VUV-spektralområde ret langt væk fra enhver resonans og et mål-XUV-område mellem to resonanser. Derved, de var i stand til at matche hastighederne af et bredt område af indkommende bølgelængder til et smalt område af udgående bølgelængder. I fig. 2, på venstre side, absorption i VUV over et bredt spektralområde (blåt område) er angivet. Den røde stiplede kurve angiver det frekvensafhængige brydningsindeks, som er et mål for lysets hastighed. På den højre side, et smalt spektralområde i XUV-området (violet område) er vist. I disse regioner, lyset bevæger sig omtrent med samme hastighed, dvs. med et lignende brydningsindeks. Disse hastigheder kan matches af de næsten horisontale pile, der angiver fotonerne i det synlige spektrum. Illustrationen viser, at dette gør det muligt at konvertere et bredbånds VUV-spektrum med en relativt flad bølgelængde-hastighedsafhængighed til en smalbåndet XUV-puls, hvor bølgelængde-hastighedsafhængigheden er næsten lodret.

Generering af smalbåndede XUV-impulser er interessant til applikationer som elektronspektroskopi, undersøgelse af resonansovergange, og den sammenhængende diffraktive billeddannelse af strukturer i nanoskala. I fremtiden, den nye metode kunne også bruges i den modsatte retning, dvs. at spektralt udvide XUV-impulser, hvilket kan resultere i generering af meget korte XUV-impulser fra kilder som frielektronlasere og bløde røntgenlasere.