La ciencia del attosegundo ha revolucionado la forma en que vemos la evolución dependiente del tiempo del mundo microscópico, donde el comportamiento de la materia se rige por las reglas de la mecánica cuántica. El avance tecnológico que hizo posible el desarrollo del campo se basa en la generación de pulsos láser ultracortos que duran solo unas pocas oscilaciones del campo eléctrico. Estos pulsos cortos tienen una intensidad enfocada donde el campo eléctrico es comparable al que experimentan los electrones dentro de los átomos y moléculas. Es posible controlar tanto la forma temporal exacta como la forma de onda de estos pulsos ultracortos. Si bien se han utilizado pulsos de láser ultracortos en algunos laboratorios de todo el mundo para estudiar la dinámica inducida por la luz en átomos y moléculas, muchas preguntas quedan sin respuesta, debido a las bajas velocidades de datos y la SNR inherentemente baja que se pueden lograr con los sistemas láser actuales de última generación.

En el Instituto Max Born, ahora se ha completado un potente sistema láser, capaz de reproducir los parámetros de los sistemas láser que se utilizan normalmente en experimentos científicos de attosegundos, pero con una frecuencia de repetición de pulso 100 veces mayor. Este nuevo sistema láser permite una clase completamente nueva de experimentos en sistemas atómicos y moleculares pequeños simples, así como investigaciones de alta fidelidad de moléculas más complejas.

En los últimos 15-20 años, la disponibilidad de pulsos de luz en la región ultravioleta extrema (XUV) del espectro electromagnético, con duraciones del orden de cientos de attosegundos (1 as =10 ^-18 s) ha permitido el surgimiento del campo de la ciencia del attosegundo. Utilizando estos pulsos extremadamente cortos, los científicos han obtenido una visión sin precedentes de la evolución temporal de los electrones en los átomos. moléculas y sólidos, Aprovechando la técnica de bomba-sonda:el sistema bajo investigación es excitado por un pulso de láser de "bomba" y después de algún tiempo un segundo pulso de "sonda" interroga al sistema (por ejemplo, a través de ionización). La dinámica inducida por el pulso de la bomba se puede recuperar repitiendo el experimento en diferentes tiempos de retardo. Utilizando la técnica de bomba-sonda se han obtenido una serie de resultados impresionantes en los últimos años que abordan temas como la migración de carga inducida por la luz, correlaciones de varios electrones, y el acoplamiento entre grados de libertad electrónicos y nucleares. Normalmente, las distribuciones de velocidad de iones o electrones generados durante la secuencia bomba-sonda se determinan experimentalmente o se detecta el espectro de absorción transitoria del pulso XUV en función del retardo bomba-sonda. A menudo, los procesos inducidos por la luz son complejos y medir solo un observable no es suficiente para comprender completamente los resultados experimentales. Ya hace varios años, gracias al desarrollo del llamado "microscopio de reacción, "Se logró una gran mejora. Este aparato permite una medición de la distribución de velocidad tridimensional de todos los electrones e iones creados en el proceso de bomba-sonda. El inconveniente de esta técnica es que son necesarias velocidades de señal muy bajas, es decir, solo del 10 al 20 por ciento de todos los disparos láser deberían inducir la formación de un par electrón-ión. Esto conduce a tiempos de medición muy largos utilizando los sistemas láser actuales de última generación.

Los pulsos en el XUV con una duración de attosegundos se producen cuando un fuerte pulso láser en el VIS-NIR interactúa con un gas de átomos en un proceso llamado generación armónica de alto orden (HHG). Para que se forme un solo pulso XUV con una duración de attosegundos durante el proceso de HHG, los pulsos de láser que interactúan con el gas deben durar solo unas pocas oscilaciones del campo electromagnético, lo que normalmente significa menos de 10 fs (1 fs =10 ^-15 s), y debe controlarse la forma temporal exacta del pulso. La forma más extendida de producir este tipo de pulsos láser consiste en amplificar pulsos cortos con una forma de onda controlada (fase de envolvente portadora o controlada por CEP) en un amplificador láser Ti:Zafiro y acortar la duración de los pulsos mediante compresión de pulso no lineal. , usando p. ej. un capilar de núcleo hueco lleno de gas. Sin embargo, la tasa de repetición de pulsos de estos sistemas se limita típicamente a unos pocos kHz, y una frecuencia máxima informada de 10 kHz, debido a los efectos térmicos perjudiciales intrínsecos a los amplificadores láser.

Ahora, investigadores del Instituto Max Born en Alemania, en colaboración con colegas del Norwegian Defense Research Establishment, han diseñado y construido un sistema láser capaz de operar a tasas de repetición de pulso mucho más altas que los típicos amplificadores Ti:Sapphire. El sistema recientemente desarrollado es perfectamente adecuado para realizar experimentos de bomba-sonda en la ciencia de attosegundos implementando la detección de coincidencia electrón-ión en un microscopio de reacción.

El sistema se basa en un amplificador paramétrico óptico no colineal (NOPA). En un amplificador paramétrico, la energía de un pulso de bomba fuerte se transfiere a un pulso de señal débil en una interacción instantánea no lineal en un cristal. La ganancia y el ancho de banda del proceso están determinados por las condiciones de ajuste de fase, es decir, asegurándose de que todos los fotones a la frecuencia de la señal se emitan en fase y se sumen de manera coherente a medida que el pulso de la señal se propaga en el cristal. Cuando la bomba y los pulsos de semillas entran en el cristal subtendiendo un ángulo pequeño (geometría no colineal), el ancho de banda del proceso se maximiza y es posible amplificar pulsos ultracortos que duran solo unos pocos ciclos. Es más, dado que el proceso es instantáneo y no hay absorción de luz en el cristal, no hay acumulación de calor y los problemas térmicos son casi insignificantes. Por lo tanto, Los amplificadores NOPA son adecuados para altas tasas de repetición.

En el sistema láser presentado en un artículo recientemente publicado en Letras de óptica , los investigadores amplificaron pulsos ultracortos de CEP estable de un oscilador láser Ti:Zafiro en un amplificador NOPA bombeado por un láser comercial de disco delgado Yb:YAG de alta tasa de repetición. En el amplificador paramétrico, una gran fracción (aproximadamente el 20 por ciento) de la energía de los pulsos del sistema Yb:YAG se transfiere de manera eficiente a los pulsos ultracortos CEP-estables del oscilador láser Ti:Sapphire. Por tanto, el sistema NOPA es capaz de entregar pulsos con 0,24 mJ de energía a una tasa de repetición de 100 kHz, resultando en una potencia promedio de 24 W a una longitud de onda central aproximada de 800 nm. Después de la compresión, filtrado del segundo armónico parásito y un atenuador variable de banda ancha para controlar la potencia incidente en los experimentos, Los pulsos CEP-estables con 0,19 mJ (19 W) y 7 fs de duración (es decir, 2,6 ciclos) están disponibles para experimentos. El sistema se empleará para HHG y producción de pulsos de attosegundos aislados, y será la base de una línea de luz de bomba-sonda de attosegundos con capacidades de detección de coincidencia.