Pulsos de attosegundos: 100 veces más

(Noticias de Nanowerk) Los pulsos láser de attosegundos en el ultravioleta extremo (XUV) son una herramienta única que permite la observación y el control de la dinámica electrónica 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.

Con un sistema láser de alta potencia desarrollado en el Instituto Max Born (MBI), hemos conseguido generar pulsos de attosegundos con una tasa de repetición de 100 kHz (óptica, «Generación y caracterización de pulsos de attosegundos aislados a una tasa de repetición de 100 kHz»). Esto permite nuevos tipos de experimentos en la investigación de attosegundos. Figura 1: Configuración experimental. Nuestro sistema OPCPA de fabricación propia ofrece pulsos de 7fs a una tasa de repetición de 100 kHz. Estos pulsos se acortan a una duración de 3,3 fs mediante compresión de pulsos de fibra hueca. Los experimentos de rayas de attosegundos se llevan a cabo en una línea de haz especialmente construida. (Imagen: MBI)

Pulsos de luz en la región ultravioleta extrema (XUV) del espectro electromagnético con una duración del orden de 100 attosegundos (1 as = 10-18 s) permitir a los científicos estudiar la dinámica ultrarrápida de los electrones en átomos, moléculas y sólidos.

Normalmente, los experimentos se realizan con una secuencia de dos pulsos de láser con un retardo de tiempo controlable entre ellos. El primer impulso excita el sistema y el segundo impulso toma una instantánea del sistema en evolución al registrar un observable apropiado.

Normalmente, las distribuciones de impulsos de iones o electrones o el espectro de absorción transitoria del impulso XUV se miden en función del retraso entre los dos impulsos. Repitiendo el experimento para diferentes puntos de tiempo entre los dos pulsos, se puede hacer una película de la dinámica bajo estudio.

Para obtener los conocimientos más detallados sobre la dinámica del sistema bajo investigación, es ventajoso medir la información disponible sobre el desarrollo a lo largo del tiempo de la manera 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 individuales para cada disparo de láser y detectando electrones e iones simultáneamente.

Sin embargo, esto tiene la desventaja de que la tasa de detección se limita a una fracción (típicamente 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 la clase de 1 kHz.

En MBI hemos desarrollado un sistema láser basado en Amplificación de Pulso Chirped Paramétrico Óptico (OPCPA). Con la amplificación paramétrica, no se almacena energía en el medio de ganancia, por lo que se genera muy poco calor. Esto permite que los pulsos láser se amplifiquen a potencias promedio mucho más altas que el actual «caballo de batalla» Ti:Sapphire láser más comúnmente utilizado en laboratorios de attosegundos en todo el mundo. El segundo beneficio de la tecnología OPCPA es la capacidad de amplificar espectros muy amplios.

Nuestro sistema láser OPCPA amplifica directamente pulsos láser de ciclo bajo con una duración 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. Ya hemos generado con éxito trenes de pulsos de attosegundos con este sistema láser (Journal of Physics B: Física atómica, molecular y óptica«Generación y Caracterización de Trenes de Pulsos de Attosegundos con Pocos Pulsos a una Tasa de Repetición de 100 KHz»). Figura 2: Resultados de rayado de attosegundos. ( a ) Pista de banda de fotoelectrones medida. (b) Envolvente de intensidad del pulso de attosegundo aislado recuperado (Recuadro: el perfil de intensidad en escala logarítmica) (c) Intensidad espectral recuperada y fase espectral. (Imagen: MBI)

Para muchos experimentos de attosegundos es ventajoso tener pulsos de attosegundos aislados en lugar de una secuencia 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, dando como resultado pulsos de attosegundos aislados.

Para lograr pulsos de láser de ciclo único, utilizamos la técnica de compresión de pulso de fibra hueca. Los pulsos de 7 fs se envían a través de una guía de ondas de 1 m de largo que se llena con gas de neón para ampliar el espectro. Usando espejos de chirrido especialmente desarrollados, los pulsos se pueden comprimir a duraciones de pulso de hasta 3.3 fs. Estos pulsos consisten en solo 1,3 ciclos ópticos.

Los pulsos de 1,3 ciclos se envían a una línea de luz de attosegundos desarrollada en MBI. La mayor parte de la energía se utiliza para generar pulsos XUV aislados de attosegundos en un objetivo de celda de combustible. Después de eliminar el haz NIR de alta potencia, el filtrado espectral y el enfoque de unos 106 Fotones por disparo de láser (equivalente a una cantidad sin precedentes de 1011 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 da como resultado un «rastro de rayas» característico. Las formas exactas tanto del pulso NIR como del pulso XUV se pueden determinar a partir de esta matriz de datos. 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 originan a partir de la generación de pulsos de attosegundos medio ciclo NIR antes y después de la generación de pulsos de attosegundos principal. Los satélites antes y después del pulso tienen una intensidad relativa de solo 1 × 10-3 y 6×10-4o.

Estos pulsos de attosegundos aislados de alto flujo abren la puerta a estudios de espectroscopia de sonda de bombeo de attosegundos con una tasa de repetición que es 1 o 2 órdenes de magnitud más alta que las implementaciones actuales. Actualmente estamos iniciando experimentos con estos pulsos en un microscopio de reacción (REMI).