Imagens de attosegundos possibilitadas por pulsos de laser curtos e poderosos

Uma nova técnica, chamada amplificação paramétrica óptica de duplo chirped avançada, aumentou a energia dos pulsos de laser de ciclo único em um fator de 50. A técnica usa dois cristais (mostrados como cubos transparentes), que amplificam regiões complementares do espectro. Crédito:RIKEN

Pulsos extremamente curtos de luz laser com potência de pico de 6 terawatts (6 trilhões de watts) – aproximadamente equivalente à energia produzida por 6.000 usinas nucleares – foram realizados por dois físicos da RIKEN. Essa conquista ajudará a desenvolver ainda mais os lasers de attossegundos, pelos quais três pesquisadores receberam o Prêmio Nobel de Física em 2023. O trabalho foi publicado na revista Nature Photonics .

Da mesma forma que o flash de uma câmera pode “congelar” objetos em movimento rápido, fazendo com que pareçam estar parados nas fotos, pulsos de laser extremamente curtos podem ajudar a iluminar processos ultrarrápidos, fornecendo aos cientistas uma maneira poderosa de imageá-los e sondá-los. .

Por exemplo, pulsos de laser da ordem de attosegundos (um attosegundo =10^–18 segundo) são tão curtos que podem revelar o movimento dos elétrons em átomos e moléculas, proporcionando uma nova maneira de descobrir como evoluem as reações químicas e bioquímicas. Até a luz parece rastejar em escalas de tempo tão curtas, levando cerca de 3 attossegundos para percorrer um único nanômetro.

“Ao tornar possível capturar o movimento dos elétrons, os lasers de attossegundos deram uma grande contribuição para a ciência básica”, diz Eiji Takahashi, do Centro RIKEN de Fotônica Avançada (RAP). “Espera-se que eles sejam usados em uma ampla gama de campos, incluindo observação de células biológicas, desenvolvimento de novos materiais e diagnóstico de condições médicas”.

Força e soco

Mas embora seja possível criar pulsos de laser ultracurtos, eles carecem de muita força, tendo baixas energias. A criação de pulsos de laser ultracurtos e com altas energias expandiria muito seus usos possíveis. “A energia de saída atual dos lasers de attossegundos é extremamente baixa”, diz Takahashi. "Portanto, é vital aumentar a sua energia de saída se quisermos que sejam usados como fontes de luz numa ampla gama de campos."

Assim como os amplificadores de áudio são usados para aumentar os sinais sonoros, os físicos do laser usam amplificadores ópticos para aumentar a energia dos pulsos de laser. Esses amplificadores geralmente empregam cristais não lineares que exibem respostas especiais à luz. Mas esses cristais podem ser irreparavelmente danificados se forem usados para amplificar pulsos de laser de ciclo único, que são tão curtos que o pulso termina antes que a luz possa oscilar através de um ciclo completo de comprimento de onda.

“O maior gargalo no desenvolvimento de fontes de laser infravermelho ultrarrápidas e energéticas tem sido a falta de um método eficaz para amplificar diretamente os pulsos de laser de ciclo único”, explica Takahashi. "Esse gargalo resultou em uma barreira de um milijoule para a energia dos pulsos de laser de ciclo único."

Um novo recorde

Agora, Takahashi e o colega do RAP, Lu Xu, não apenas ultrapassaram esta barreira, como também a ultrapassaram. Eles amplificaram pulsos de ciclo único para além de 50 milijoules – mais de 50 vezes o melhor esforço anterior. Como os pulsos de laser resultantes são muito curtos, essa energia se traduz em potências incrivelmente altas de vários terawatts.

“Demonstramos como superar o gargalo estabelecendo um método eficaz para amplificar um pulso de laser de ciclo único”, diz Takahashi.

Seu método, denominado amplificação paramétrica óptica de duplo chirped avançada (DC-OPA), é surpreendentemente simples, envolvendo apenas dois cristais, que amplificam regiões complementares do espectro.

“O DC-OPA avançado para amplificar um pulso de laser de ciclo único é muito simples, sendo baseado apenas em uma combinação de dois tipos de cristais não lineares – parece uma ideia que qualquer um poderia ter tido”, diz Takahashi. "Fiquei surpreso que um conceito tão simples fornecesse uma nova tecnologia de amplificação e causasse um avanço no desenvolvimento de lasers ultrarrápidos de alta energia."

É importante ressaltar que o DC-OPA avançado funciona em uma ampla faixa de comprimentos de onda. Takahashi e Xu foram capazes de amplificar pulsos cujos comprimentos de onda diferiam em mais de um fator de dois. “Este novo método tem a característica revolucionária de que a largura de banda de amplificação pode ser ultralarga sem comprometer as características de escala de energia de saída”, diz Takahashi.

Técnica de amplificação

A técnica deles é uma variação de outra técnica de amplificação de pulsos ópticos, chamada “amplificação de pulso chirped”, pela qual três pesquisadores dos Estados Unidos, França e Canadá receberam o Prêmio Nobel de Física em 2018. Há uma conexão interessante entre o 2018 e 2023, em que a amplificação do pulso foi uma das técnicas que possibilitou o desenvolvimento de lasers de attossegundos.

Takahashi prevê que sua técnica avançará ainda mais no desenvolvimento de lasers de attossegundos. “Conseguimos desenvolver um novo método de amplificação de laser que pode aumentar a intensidade dos pulsos de laser de ciclo único para uma potência de pico da classe terawatt”, diz ele. "É sem dúvida um grande avanço no desenvolvimento de lasers de attossegundos de alta potência."

No longo prazo, ele pretende ir além dos lasers de attossegundos e criar pulsos ainda mais curtos.

"Ao combinar lasers de ciclo único com efeitos ópticos não lineares de ordem superior, seria possível gerar pulsos de luz com uma largura de tempo de zeptosegundos (um zeptosegundo =10^–21 segundo)", diz ele. "Meu objetivo de longo prazo é bater na porta da pesquisa com laser de zeptosegundo e abrir a próxima geração de lasers ultracurtos após os lasers de attosegundo."

Mais informações: Lu Xu et al, Amplificação paramétrica óptica de duplo chirped de pulsos de laser de ciclo único de alta energia, Nature Photonics (2023). DOI:10.1038/s41566-023-01331-9
Informações do diário: Fotônica da Natureza

Fornecido por RIKEN

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