Fig. 1:(a) Uma cor específica pode ser selecionada a partir de uma fonte de luz de banda larga usando, e. um prisma ou uma grade. Isso vem, Contudo, à custa de perder a maior parte da luz. (b) Ao aplicar uma técnica óptica não linear, como a mistura de quatro ondas em criptônio, é possível gerar uma cor específica usando toda a luz disponível em diferentes cores. Crédito:Copyright:MBI
Pesquisadores do Instituto Max Born de Óptica Não Linear e Espectroscopia de Pulso Curto (MBI) desenvolveram um novo método para modificar a largura espectral da luz ultravioleta extrema (XUV). Ao empregar um novo esquema de correspondência de fase na mistura de quatro ondas, eles poderiam comprimir a largura espectral da luz de banda larga inicial em mais de cem vezes. Os resultados experimentais e teóricos detalhados foram publicados em Nature Photonics .
Luz, como emitido pelo sol, consiste em muitos comprimentos de onda e normalmente aparece como branco. As vezes, Contudo, apenas certas cores chegam aos nossos olhos, levando a fenômenos atordoantes como um brilho residual. Para aplicações técnicas ou científicas que requerem uma cor específica, grades e prismas podem ser usados para extrair essa cor da luz branca. Contudo, a maior parte da luz que entra é perdida durante este processo, e a intensidade da luz na saída é muito baixa.
Técnicas ópticas não lineares tornaram possível mudar a cor da luz e modificar sua largura de banda espectral sem comprometer a intensidade. Conforme ilustrado na Fig. 1, isso permite a geração de luz com uma cor específica de luz de banda larga (como luz branca) ou vice-versa. Essas técnicas são amplamente aplicadas em espectroscopia, imagem, e para a geração de pulsos de laser ultracurtos. Contudo, técnicas ópticas não lineares não estão prontamente disponíveis na região XUV do espectro eletromagnético. Esta região é de interesse crescente para várias aplicações, incluindo ciência attosecond e litografia EUV.
Uma equipe de pesquisadores do Instituto Max Born demonstrou recentemente um novo conceito para gerar pulsos de laser de banda estreita na faixa de XUV. Eles combinaram luz branca de banda larga na região visível com luz tendo um amplo espectro na região ultravioleta a vácuo (VUV). Depois que esses dois pulsos de luz se propagaram simultaneamente através de um jato denso de átomos de criptônio, um novo pulso de laser na faixa XUV foi gerado. Notavelmente, a largura espectral do novo pulso XUV era mais de cem vezes mais estreita em comparação com os pulsos visíveis e VUV iniciais.
Os cientistas empregaram um esquema conhecido como mistura de quatro ondas, onde um átomo de criptônio absorve dois fótons visíveis e um fóton VUV, levando à emissão de um fóton XUV. Devido à conservação de energia, o fóton XUV emitido deve ter uma frequência igual à soma das frequências de todos os três fótons absorvidos. Ao mesmo tempo, devido à conservação do momentum, a velocidade da onda de luz que entra deve corresponder à velocidade da onda que sai dentro do meio de mistura. Esta velocidade muda muito rápido perto de uma ressonância atômica.
Fig. 2:Esquema de compressão espectral XUV:O índice de refração em função da energia do fóton é mostrado pela curva tracejada vermelha. Na região em torno de 9,2 eV, ele muda de forma comparativamente lenta (lado esquerdo), ao passo que muda muito rápido na região em torno de 12.365 eV. Portanto, uma absorção de banda larga (área azul) pode levar a uma emissão de banda estreita (área violeta) com a ajuda de dois fótons visíveis (mostrados pelas setas). Crédito:Copyright:MBI
Para gerar a banda de laser XUV de banda estreita, os pesquisadores escolheram uma faixa espectral VUV bem longe de qualquer ressonância e uma faixa XUV alvo entre duas ressonâncias. Ao fazer isso, eles foram capazes de combinar as velocidades de uma ampla faixa de comprimentos de onda de entrada com uma região estreita de comprimentos de onda de saída. Na Fig. 2, no lado esquerdo, absorção no VUV em uma ampla faixa espectral (área azul) é indicada. A curva tracejada vermelha indica o índice de refração dependente da frequência, que é uma medida da velocidade da luz. Do lado direito, uma região espectral estreita na faixa de XUV (área violeta) é mostrada. Nessas regiões, a luz viaja aproximadamente na mesma velocidade, ou seja, com um índice de refração semelhante. Essas velocidades podem ser correspondidas pelas setas quase horizontais que indicam os fótons no espectro visível. A ilustração mostra que isso permite a conversão de um espectro VUV de banda larga com uma dependência relativamente plana de comprimento de onda-velocidade em um pulso XUV de banda estreita, onde a dependência do comprimento de onda-velocidade é quase vertical.
A geração de pulsos XUV de banda estreita é interessante para aplicações como espectroscopia eletrônica, a investigação de transições ressonantes, e a imagem difrativa coerente de estruturas em nanoescala. No futuro, o novo método também pode ser usado na direção oposta, ou seja, para ampliar espectralmente os pulsos XUV, o que pode resultar na geração de pulsos XUV muito curtos a partir de fontes como lasers de elétrons livres e lasers de raios X de software.
