Forskere udvikler kompakte, intens XUV -laser

Et internationalt forskerteam har demonstreret et nyt koncept for generering af intens ekstrem-ultraviolet (XUV) stråling ved højharmonisk generation (HHG). Dens fordel ligger i, at dens fodaftryk er meget mindre end i øjeblikket eksisterende intense XUV -lasere. Den nye ordning er ligetil og kan implementeres i mange laboratorier verden over, hvilket kan øge forskningsområdet inden for ultrahurtig XUV -videnskab. De detaljerede eksperimentelle og teoretiske resultater er blevet offentliggjort i Optica .

Opfindelsen af ​​laseren har åbnet æraen med ikke -lineær optik, som i dag spiller en vigtig rolle i mange videnskabelige, industrielle og medicinske anvendelser. Disse applikationer drager alle fordel af tilgængeligheden af ​​kompakte lasere inden for det synlige område af det elektromagnetiske spektrum. Situationen er anderledes ved XUV -bølgelængder, hvor meget store faciliteter (såkaldte frielektronlasere) er blevet bygget til at generere intense XUV-pulser. Et eksempel på disse er FLASH i Hamburg, der strækker sig over flere hundrede meter. Mindre intense XUV -kilder baseret på HHG er også blevet udviklet. Imidlertid, disse kilder har stadig et fodaftryk på titalls meter, og er indtil videre kun blevet demonstreret på få universiteter og forskningsinstitutter verden over.

Et team af forskere fra Max Born Institute (Berlin, Tyskland), ELI-ALPS (Szeged, Ungarn) og INCDTIM (Cluj-Napoca, Rumænien) har for nylig udviklet en ny ordning til generering af intense XUV -pulser. Deres koncept er baseret på HHG, som er afhængig af at fokusere en nær-infrarød (NIR) laserpuls i et gasmål. Som resultat, der udsendes meget korte lysudbrud med frekvenser, der er harmoniske for NIR -kørelaseren, som derved typisk er i XUV -regionen. For at kunne opnå intense XUV -pulser, Det er vigtigt at generere så meget XUV -lys som muligt. Dette opnås typisk ved at generere et meget stort fokus på NIR -kørelaseren, hvilket kræver et stort laboratorium.

Forskere fra Max Born Institute har demonstreret, at det er muligt at skrumpe en intens XUV -laser ved hjælp af et setup, der strækker sig over en længde på kun to meter. For at kunne gøre det, de brugte følgende trick:I stedet for at generere XUV -lys i fokus for NIR -kørelaseren, de placerede en meget tæt atomstråle relativt langt væk fra NIR laserfokus, som vist i fig. 1. Dette har to vigtige fordele:(1) Da NIR -strålen ved jetens position er stor, mange XUV -fotoner genereres. (2) Den genererede XUV -stråle er stor og har en stor divergens, og kan derfor fokuseres til en lille pletstørrelse. Det store antal XUV -fotoner i kombination med den lille XUV -spotstørrelse gør det muligt at generere intense XUV -laserpulser. Disse resultater blev bekræftet af computersimuleringer, der blev udført af et team af forskere fra ELI-ALPS og INCDTIM.

For at demonstrere, at de genererede XUV -impulser er meget intense, forskerne undersøgte multi-fotonionisering af argonatomer. De var i stand til at formere ionisere disse atomer, hvilket fører til ionladningstilstande for Ar ₂ ⁺ og Ar ₃ ⁺ . Dette kræver absorption af mindst to og fire XUV -fotoner, henholdsvis. På trods af det lille fodaftryk af denne intense XUV -kilde, den opnåede XUV -intensitet på 2 x 10 ¹⁴ B/cm ² overstiger den for mange allerede eksisterende intense XUV -kilder.

Det nye koncept kan implementeres i mange laboratorier verden over, og forskellige forskningsområder kan være til gavn. Dette inkluderer attosekund-pumpe attosekund-sonde spektroskopi, hvilket hidtil har været ekstremt svært at gøre. Den nye kompakte intense XUV -laser kunne overvinde de stabilitetsbegrænsninger, der findes inden for denne teknik, og kunne bruges til at observere elektrondynamik på ekstremt korte tidsskalaer. Et andet område, der forventes at gavne, er billeddannelse af nanoskalaobjekter som f.eks. Biomolekyler. Dette kan forbedre mulighederne for at lave film i nano-kosmos på femtosekund eller endda attosekund tidsskalaer.