Os pulsos de laser de attosegundo no ultravioleta extremo (XUV) são uma ferramenta única que permite a observação e o controle da dinâmica de elétrons em átomos, moléculas e sólidos. A maioria das fontes de laser de attosegundo opera a uma taxa de repetição de pulso de 1 kHz (1.000 disparos por segundo), o que limita sua utilidade em experimentos complexos. Usando um sistema de laser de alta potência desenvolvido no MBI, conseguimos gerar pulsos de attossegundos com taxa de repetição de 100 kHz. Isso permite novos tipos de experimentos na ciência do attosegundo.
Pulsos de luz na região do ultravioleta extremo (XUV) do espectro eletromagnético, com durações da ordem de 100 segundos de attosegundos (1 as =10 ^-18 s) permitir que os cientistas estudem a dinâmica ultrarrápida de elétrons em átomos, moléculas e sólidos. Normalmente, os experimentos são realizados usando uma sequência de dois pulsos de laser com um atraso de tempo controlável entre eles. O primeiro pulso excita o sistema e o segundo pulso tira uma foto do sistema em evolução, registrando um observável apropriado. Normalmente, as distribuições de momento de íons ou elétrons ou o espectro de absorção transiente do pulso XUV são medidos em função do atraso entre os dois pulsos. Repetindo o experimento para diferentes tempos entre os dois pulsos, um filme da dinâmica em estudo pode ser criado.

Para obter informações mais detalhadas sobre a dinâmica do sistema sob investigação, é vantajoso medir as informações disponíveis sobre a evolução do tempo da forma mais completa possível. Em experimentos com alvos atômicos e moleculares, pode ser vantajoso medir os momentos tridimensionais de todas as partículas carregadas. Isso pode ser alcançado com um aparelho chamado microscópio de reação (REMI). O esquema funciona garantindo eventos de ionização únicos para cada disparo de laser e detectando elétrons e íons em coincidência. Isso, no entanto, tem a desvantagem de que a taxa de detecção é limitada a uma fração (geralmente 10 a 20%) da taxa de repetição do pulso do laser. Experimentos significativos de sonda de bomba em um REMI não são possíveis com fontes de pulso de attossegundo de classe de 1 kHz.

Na MBI, desenvolvemos um sistema de laser baseado em amplificação de pulso chirped paramétrico óptico (OPCPA). Na amplificação paramétrica, nenhuma energia é armazenada dentro do meio de amplificação; portanto, muito pouco calor é gerado. Isso permite a amplificação de pulsos de laser para potências médias muito mais altas do que com o atual "cavalo de trabalho" laser Ti:Safira, que é mais frequentemente usado em laboratórios de attossegundos em todo o mundo. A segunda vantagem da tecnologia OPCPA é a capacidade de amplificar espectros muito amplos. Nosso sistema de laser OPCPA amplifica diretamente pulsos de laser de poucos ciclos com durações de 7 fs para potências médias de 20 W. Esta é uma energia de pulso de 200 uJ a uma taxa de repetição de 100 kHz. Com este sistema de laser já geramos com sucesso trens de pulso de attossegundos.

Em muitos experimentos de attosegundo é benéfico ter pulsos de attosegundo isolados em vez de um trem de múltiplos pulsos de attosegundo. Para permitir a geração eficiente de pulsos de attossegundos isolados, os pulsos de laser que conduzem o processo de geração devem ter durações de pulso o mais próximo possível de um único ciclo de luz. Desta forma, a emissão de pulso de attosegundo é confinada a um ponto no tempo, levando a pulsos de attosegundo isolados. Para obter pulsos de laser de ciclo quase único, empregamos a técnica de compressão de pulso de fibra oca. Os pulsos de 7 fs são enviados através de um guia de ondas oco de 1 m de comprimento preenchido com gás neon para ampliação espectral. Usando espelhos chirped especialmente projetados, os pulsos podem ser comprimidos para durações de pulso tão curtas quanto 3,3 fs. Esses pulsos consistem em apenas 1,3 ciclos ópticos.

Os pulsos de 1,3 ciclos são enviados para uma linha de luz de attossegundos desenvolvida no MBI. A parte principal da energia é usada para gerar pulsos XUV de attosegundo isolados em um alvo de célula de gás. Após a remoção do feixe NIR de alta potência, filtragem espectral e foco, cerca de 10 ⁶ fótons por disparo de laser (correspondente a um fluxo de fótons sem precedentes de 10 ¹¹ fótons por segundo) estão disponíveis para experimentos.

Para caracterizar os pulsos XUV de attossegundos gerados, realizamos um experimento de listras de attossegundos. Essencialmente, o pulso XUV é usado para ionizar um meio gasoso atômico (neon no nosso caso), enquanto um pulso NIR forte é usado para modular os pacotes de ondas de fotoelétrons gerados por XUV. Dependendo do momento exato dos pulsos XUV e NIR, os fotoelétrons são acelerados (ganham energia) ou desacelerados (perdem energia) levando a um "traço de raia" característico. A partir desta matriz de dados, as formas exatas do pulso NIR – bem como do pulso XUV – podem ser determinadas. As formas de pulso de attosegundo foram recuperadas usando um algoritmo de otimização global desenvolvido para este projeto. Nossa análise cuidadosa mostra que os principais pulsos de attossegundos têm uma duração de 124±3 as. O pulso principal é acompanhado por dois pulsos de satélite adjacentes. Estes decorrem da geração de pulso de attosegundo meio ciclo NIR antes e depois da geração de pulso de attosegundo principal. Os satélites pré e pós-pulso têm uma intensidade relativa de apenas 1×10 ^-3 e 6×10 ^-4 , respectivamente.

Esses pulsos de attossegundo isolados de alto fluxo abrem a porta para estudos de espectroscopia de bomba de attossegundo com uma taxa de repetição de 1 ou 2 ordens de magnitude acima das implementações atuais. Atualmente estamos iniciando experimentos com esses pulsos em um microscópio de reação (REMI).

A pesquisa é publicada na Optica . + Explorar mais

Fonte de pulso de attossegundo de 100kHz de alto fluxo acionada por um feixe de laser anular de alta potência