A ciência do Attosegundo revolucionou a maneira como olhamos para a evolução dependente do tempo do mundo microscópico, onde o comportamento da matéria é governado pelas regras da mecânica quântica. O avanço tecnológico que possibilitou o desenvolvimento do campo está baseado na geração de pulsos laser ultracurtos que duram apenas algumas oscilações do campo elétrico. Esses pulsos curtos têm uma intensidade focalizada em que o campo elétrico é comparável ao que os elétrons experimentam dentro dos átomos e moléculas. É possível controlar a forma temporal exata e a forma de onda desses pulsos ultracurtos. Embora os pulsos de laser ultracurtos tenham sido usados ​​em alguns laboratórios em todo o mundo para estudar a dinâmica induzida pela luz em átomos e moléculas, muitas perguntas permanecem sem resposta, devido às baixas taxas de dados e ao SNR inerentemente baixo, que podem ser obtidos com os sistemas laser de última geração.

No Instituto Max Born, um poderoso sistema a laser foi concluído, capaz de reproduzir os parâmetros de sistemas de laser normalmente usados ​​em experimentos científicos de attossegundo, mas com uma taxa de repetição de pulso 100 vezes maior. Este novo sistema de laser permite uma classe inteiramente nova de experimentos em sistemas atômicos simples e pequenos sistemas moleculares, bem como investigações de alta fidelidade de moléculas mais complexas.

Nos últimos 15-20 anos, a disponibilidade de pulsos de luz na região ultravioleta extrema (XUV) do espectro eletromagnético, com durações da ordem de centenas de attossegundos (1 como =10 ^-18 s) possibilitou o surgimento do campo da ciência attossegundo. Utilizando esses pulsos extremamente curtos, os cientistas obtiveram uma visão sem precedentes da evolução temporal dos elétrons nos átomos, moléculas e sólidos, tirando vantagem da técnica da sonda de bomba:O sistema sob investigação é excitado por um pulso de laser de "bomba" e, após algum tempo, um segundo pulso de "sonda" interroga o sistema (por exemplo, por ionização). A dinâmica induzida pelo pulso da bomba pode ser recuperada repetindo o experimento em diferentes tempos de atraso. Usando a técnica de bomba-sonda, uma série de resultados impressionantes foram obtidos nos últimos anos abordando tópicos como migração de carga induzida por luz, correlações multi-elétrons, e o acoplamento entre os graus de liberdade eletrônicos e nucleares. Normalmente, as distribuições de velocidade de íons ou elétrons gerados durante a sequência da bomba-sonda são determinadas experimentalmente ou o espectro de absorção transiente do pulso XUV em função do atraso da bomba-sonda é detectado. Freqüentemente, os processos induzidos pela luz são complexos e medir apenas um observável não é suficiente para compreender completamente os resultados experimentais. Já há vários anos, graças ao desenvolvimento do chamado "microscópio de reação, "uma grande melhoria foi alcançada. Este aparelho permite uma medição da distribuição tridimensional da velocidade de todos os elétrons e íons criados no processo da sonda de bomba. A desvantagem dessa técnica é que taxas de sinal muito baixas são necessárias, ou seja, apenas 10 a 20 por cento de todos os disparos de laser devem induzir a formação de um par elétron-íon. Isso leva a tempos de medição muito longos usando os sistemas a laser de última geração.

Pulsos no XUV com duração de attossegundos são produzidos quando um forte pulso de laser no VIS-NIR interage com um gás de átomos em um processo denominado geração harmônica de alta ordem (HHG). Para que um único pulso XUV com duração de attossegundo seja formado durante o processo de HHG, os pulsos de laser interagindo com o gás devem durar apenas algumas oscilações do campo eletromagnético, o que normalmente significa menos de 10 fs (1 fs =10 ^-15 s), e a forma temporal exata do pulso deve ser controlada. A forma mais amplamente difundida de produzir tais pulsos de laser consiste em amplificar pulsos curtos com uma forma de onda controlada (fase de envelope portadora ou CEP controlada) em um amplificador de laser Ti:Sapphire e encurtar a duração dos pulsos por meio de compressão de pulso não linear , usando, por exemplo, um capilar de núcleo oco cheio de gás. Contudo, a taxa de repetição de pulso desses sistemas é normalmente limitada a alguns kHz, e uma frequência máxima relatada de 10 kHz, devido aos efeitos térmicos prejudiciais intrínsecos aos amplificadores de laser.

Agora, pesquisadores do Instituto Max Born, na Alemanha, em colaboração com colegas do Norwegian Defense Research Establishment, projetaram e construíram um sistema a laser capaz de operar em taxas de repetição de pulso muito mais altas do que os amplificadores Ti:Sapphire típicos. O sistema recém-desenvolvido é perfeitamente adequado para realizar experimentos com bomba-sonda na ciência attosecond, implementando a detecção de coincidência de elétron-íon em um microscópio de reação.

O sistema é baseado em um amplificador óptico paramétrico não colinear (NOPA). Em um amplificador paramétrico, a energia de um pulso de bomba forte é transferida para um pulso de sinal fraco em uma interação não linear instantânea em um cristal. O ganho e a largura de banda do processo são determinados pelas condições de correspondência de fase, isso é, garantindo que todos os fótons na frequência do sinal sejam emitidos em fase e se juntem de forma coerente à medida que o pulso do sinal se propaga no cristal. Quando a bomba e os pulsos de semente entram no cristal subtendendo um pequeno ângulo (geometria não colinear), a largura de banda do processo é maximizada e é possível amplificar pulsos ultracurtos com apenas alguns ciclos. Além disso, uma vez que o processo é instantâneo e não há absorção de luz no cristal, não há acúmulo de calor e os problemas térmicos são quase desprezíveis. Portanto, Os amplificadores NOPA são adequados para altas taxas de repetição.

No sistema de laser apresentado em um artigo publicado recentemente em Cartas de Óptica , os pesquisadores amplificaram pulsos estáveis ​​de CEP ultracurtos de um oscilador de laser Ti:Sapphire em um amplificador NOPA bombeado por um laser de disco fino comercial Yb:YAG de alta taxa de repetição. No amplificador paramétrico, uma grande fração (cerca de 20 por cento) da energia dos pulsos do sistema Yb:YAG é transferida com eficiência para os pulsos ultracurtos estáveis ​​do CEP do oscilador a laser Ti:Sapphire. O sistema NOPA é, portanto, capaz de fornecer pulsos com 0,24 mJ de energia a uma taxa de repetição de 100 kHz, resultando em uma potência média de 24 W em um comprimento de onda central aproximado de 800 nm. Após a compressão, filtragem de segundo harmônico parasita e um atenuador variável de banda larga para controlar o incidente de energia nos experimentos, Pulsos estáveis ​​de CEP com 0,19 mJ (19 W) e 7 fs de duração (ou seja, 2,6 ciclos) estão disponíveis para experimentos. O sistema será empregado para HHG e produção de pulso de attossegundo isolado, e será a base de uma linha de luz de sonda de bomba de attosegundo com recursos de detecção de coincidência.