Los pulsos de láser de attosegundos en el ultravioleta extremo (XUV) son una herramienta única que permite la observación y el control de la dinámica de electrones en átomos, moléculas y sólidos. La mayoría de las fuentes láser de attosegundos funcionan a una frecuencia de repetición de pulsos de 1 kHz (1000 disparos por segundo), lo que limita su utilidad en experimentos complejos. Usando un sistema láser de alta potencia desarrollado en MBI, hemos logrado generar pulsos de attosegundos a una tasa de repetición de 100 kHz. Esto permite nuevos tipos de experimentos en la ciencia del attosegundo.

Pulsos de luz en la región ultravioleta extrema (XUV) del espectro electromagnético, con duraciones del orden de 100s de attosegundos (1 as =10 ^-18 s) permitir a los científicos estudiar la dinámica ultrarrápida de los electrones en átomos, moléculas y sólidos. Por lo general, los experimentos se realizan utilizando una secuencia de dos pulsos de láser con un tiempo de retardo controlable entre ellos. El primer pulso excita el sistema, y ​​el segundo pulso toma una instantánea del sistema en evolución, registrando un observable apropiado. Por lo general, las distribuciones de impulso de iones o electrones o el espectro de absorción transitoria del pulso XUV se miden en función del retraso entre los dos pulsos. Al repetir el experimento para diferentes tiempos entre los dos pulsos, se puede crear una película de la dinámica bajo estudio.

Para obtener una visión más detallada de la dinámica del sistema bajo investigación, es ventajoso medir la información disponible sobre la evolución temporal de la forma más completa posible. En experimentos con objetivos atómicos y moleculares, puede resultar ventajoso medir los momentos tridimensionales de todas las partículas cargadas. Esto se puede lograr con un aparato llamado microscopio de reacción (REMI). El esquema funciona asegurando eventos de ionización únicos para cada disparo de láser y detectando electrones e iones en coincidencia. Sin embargo, esto tiene el inconveniente de que la tasa de detección está limitada a una fracción (normalmente del 10 al 20%) de la tasa de repetición del pulso láser. Los experimentos significativos de sonda de bomba en un REMI no son posibles con fuentes de pulsos de attosegundos de clase de 1 kHz.

En MBI hemos desarrollado un sistema láser basado en la amplificación de pulso chirp paramétrico óptico (OPCPA). En la amplificación paramétrica, no se almacena energía dentro del medio de amplificación; por lo tanto, se genera muy poco calor. Esto permite la amplificación de pulsos de láser a potencias promedio mucho más altas que con el actual láser Ti:Sapphire "caballo de batalla", que se usa con mayor frecuencia en laboratorios de attosegundos en todo el mundo. La segunda ventaja de la tecnología OPCPA es la capacidad de amplificar espectros muy amplios. Nuestro sistema láser OPCPA amplifica directamente pulsos láser de pocos ciclos con duraciones de 7 fs a potencias promedio de 20 W. Esta es una energía de pulso de 200 uJ a una tasa de repetición de 100 kHz. Con este sistema láser hemos generado previamente con éxito trenes de pulsos de attosegundos.

En muchos experimentos de attosegundos es beneficioso tener pulsos de attosegundos aislados en lugar de un tren de múltiples pulsos de attosegundos. Para permitir la generación eficiente de pulsos de attosegundos aislados, los pulsos de láser que impulsan el proceso de generación deben tener duraciones de pulso lo más cercanas posible a un solo ciclo de luz. De esta manera, la emisión de pulsos de attosegundos se limita a un punto en el tiempo, lo que genera pulsos de attosegundos aislados. Para lograr pulsos de láser de ciclo único, hemos empleado la técnica de compresión de pulso de fibra hueca. Los pulsos de 7 fs se envían a través de una guía de ondas hueca de 1 m de largo llena de gas de neón para ampliar el espectro. Usando espejos chirridos especialmente diseñados, los pulsos se pueden comprimir a duraciones de pulso tan cortas como 3.3 fs. Estos pulsos constan de solo 1,3 ciclos ópticos.

Los pulsos de 1,3 ciclos se envían a una línea de luz de attosegundos desarrollada en el MBI. La mayor parte de la energía se utiliza para generar pulsos XUV aislados de attosegundos en un objetivo de celda de gas. Después de eliminar el haz NIR de alta potencia, el filtrado espectral y el enfoque, alrededor de 10 ⁶ fotones por disparo láser (correspondientes a un flujo de fotones sin precedentes de 10 ¹¹ fotones por segundo) están disponibles para experimentos.

Para caracterizar los pulsos XUV de attosegundos generados, realizamos un experimento de rayas de attosegundos. Esencialmente, el pulso XUV se usa para ionizar un medio de gas atómico (neón en nuestro caso), mientras que un pulso NIR fuerte se usa para modular los paquetes de ondas de fotoelectrones generados por XUV. Dependiendo de la sincronización exacta de los pulsos XUV y NIR, los fotoelectrones se aceleran (ganan energía) o se desaceleran (pierden energía) lo que lleva a un "trazo rayado" característico. A partir de esta matriz de datos, se pueden determinar las formas exactas tanto del pulso NIR como del pulso XUV. Las formas de pulsos de attosegundos se recuperaron utilizando un algoritmo de optimización global desarrollado para este proyecto. Nuestro cuidadoso análisis muestra que los principales pulsos de attosegundos tienen una duración de 124±3 as. El pulso principal va acompañado de dos pulsos de satélite adyacentes. Estos se derivan de la generación de pulsos de attosegundos medio ciclo NIR antes y después de la generación de pulsos de attosegundos principal. Los satélites prepulso y postpulso tienen una intensidad relativa de solo 1×10 ^-3 y 6×10 ^-4 , respectivamente.

Estos pulsos de attosegundos aislados de alto flujo abren la puerta a los estudios de espectroscopia de sonda de bomba de attosegundos a una tasa de repetición de 1 o 2 órdenes de magnitud por encima de las implementaciones actuales. Actualmente estamos comenzando experimentos con estos pulsos en un microscopio de reacción (REMI).

La investigación se publica en Optica . + Explora más

Fuente de pulsos de attosegundos de 100 kHz de alto flujo impulsada por un rayo láser anular de potencia media alta