La ciencia de los attosegundos ha revolucionado la forma en que vemos la evolución dependiente del tiempo del mundo microscópico, donde el comportamiento de la materia se rige por las reglas de la mecánica cuántica. El avance tecnológico que hizo posible el desarrollo del campo se basa en elgeneración de pulsos láser ultracortos que duran solo unas pocas oscilaciones del campo eléctrico. Estos pulsos cortos tienen una intensidad focalizada donde el campo eléctrico es comparable al que experimentan los electrones dentro de los átomos y las moléculas. Es posible controlar tanto el tiempo temporal exactoforma y la forma de onda de estos pulsos ultracortos. Mientras que los pulsos láser ultracortos se han utilizado en algunos laboratorios de todo el mundo para estudiar la dinámica inducida por la luz en átomos y moléculas, muchas preguntas siguen sin respuesta, debido a las bajas tasas de datos e inherentemente bajasSNR alcanzable con los actuales sistemas láser de última generación.
En el Instituto Max Born, ahora se ha completado un potente sistema láser, capaz de reproducir los parámetros de los sistemas láser utilizados típicamente en experimentos científicos de attosegundos, pero con una frecuencia de repetición de pulsos 100 veces mayor. Este nuevo sistema láser permite un sistema completamente nuevoclase de experimentos en sistemas atómicos y moleculares pequeños, así como investigaciones de alta fidelidad de moléculas más complejas.
En los últimos 15-20 años, la disponibilidad de pulsos de luz en la región ultravioleta extrema XUV del espectro electromagnético, con duraciones del orden de 100s de attosegundos 1 como = 10 -18 s ha permitido el surgimiento del campo de la ciencia de attosegundos.Utilizando estos pulsos extremadamente cortos, los científicos han obtenido una visión sin precedentes de la evolución temporal de los electrones en átomos, moléculas y sólidos, aprovechando la técnica de bomba-sonda: el sistema investigado se excita con un pulso láser de "bomba" y después de algún tiemporetrasar un segundo pulso de "sonda" interroga al sistema por ejemplo, a través de la ionización.La dinámica inducida por el pulso de la bomba se puede recuperar repitiendo el experimento a diferentes tiempos de retraso.Utilizando la técnica de bomba-sonda, se han obtenido una serie de resultados impresionantes en los últimos años que abordan temas como la migración de carga inducida por la luz, las correlaciones de múltiples electrones y el acoplamiento entre los grados de libertad electrónicos y nucleares.Típicamente, las distribuciones de velocidad de iones o electrones generados durante la secuencia bomba-sonda se determinan experimentalmente o se detecta el espectro de absorción transitoria del pulso XUV en función del retraso de la sonda bomba.A menudo, los procesos inducidos por la luz son complejos y medir solo un observable no es suficiente para comprender completamente los resultados experimentales.Hace ya varios años, gracias al desarrollo del llamado "microscopio de reacción", se logró una gran mejora.Este aparato permite medir la distribución tridimensional de la velocidad de todos los electrones e iones creados en el proceso de bomba-sonda. El inconveniente de esta técnica es que son necesarias tasas de señal muy bajas, es decir, solo del 10% al 20% de todos los disparos con láser deberíaninducir la formación de un par electrón-ion.Esto lleva a tiempos de medición muy largos utilizando los sistemas láser más modernos.
Los pulsos en el XUV con una duración de attosegundo se producen cuando un pulso láser fuerte en el VIS-NIR interactúa con un gas de átomos en un proceso llamado generación de armónicos de alto orden HHG. Para un solo pulso XUV con una duración de attosegundopara formarse durante el proceso HHG, los pulsos láser que interactúan con el gas deberían durar solo unas pocas oscilaciones del campo electromagnético, lo que generalmente significa menos de 10 fs 1 fs = 10 -15 s, y la forma temporal exacta del pulso debe ser controlada.La forma más extendida de producir tales pulsos láser consiste en amplificar pulsos cortos con una forma de onda controlada controladora de fase portadora o controlada por CEP en un amplificador láser Ti: Sapphire y acortar la duración de los pulsos mediante compresión de pulso no lineal, utilizando, por ejemplo, un capilar de núcleo hueco lleno de gas.Sin embargo, la frecuencia de repetición de pulso de estos sistemas está típicamente limitada a unos pocos 1-3 kHz, y una frecuencia máxima reportada de 10 kHz, debido a los efectos térmicos perjudiciales intrínsecos a los amplificadores láser.
Ahora, los investigadores del Instituto Max Born en Alemania, en colaboración con colegas del Establecimiento de Investigación de Defensa de Noruega, han diseñado y construido un sistema láser capaz de operar a tasas de repetición de pulso mucho más altas que los amplificadores Ti: Sapphire típicos.El sistema desarrollado es perfectamente adecuado para realizar experimentos de sonda de bomba en la ciencia de attosegundos que implementa la detección de coincidencia de iones de electrones en un microscopio de reacción.
El sistema se basa en un amplificador paramétrico óptico no colineal NOPA. En un amplificador paramétrico, la energía de un pulso de bomba fuerte se transfiere a un pulso de señal débil en una interacción no lineal instantánea en un cristal. La ganancia y el ancho de banda deel proceso está determinado por las condiciones de coincidencia de fase, es decir, asegurando que todos los fotones a la frecuencia de la señal se emitan en fase y se sumen de manera coherente a medida que el pulso de la señal se propaga en el cristal.Con un cristal de ángulo pequeño geometría no colineal, el ancho de banda del proceso se maximiza y es posible amplificar pulsos ultracortos que duran solo unos pocos ciclos. Además, dado que el proceso es instantáneo y no hay absorción de luz en el cristal, existeno hay acumulación de calor y los problemas térmicos son casi insignificantes. Por lo tanto, los amplificadores NOPA son muy adecuados para altas tasas de repetición.
En el sistema láser presentado en un artículo publicado recientemente en Cartas ópticas , los investigadores amplificaron pulsos ultracortos estables CEP de un oscilador láser Ti: Sapphire en un amplificador NOPA bombeado por un láser de disco delgado Yb: YAG comercial de alta tasa de repetición. En el amplificador paramétrico una gran fracción aproximadamente 20% dela energía de los pulsos del sistema Yb: YAG se transfiere eficientemente a los pulsos ultracortos estables CEP del oscilador láser Ti: Sapphire. El sistema NOPA es capaz de suministrar pulsos con 0.24 mJ de energía a una velocidad de repetición de 100 kHz, lo que resulta en una potencia promedio de 24 W a una longitud de onda central aproximada de 800 nm. Después de la compresión, el filtrado del segundo armónico parasitario y un atenuador variable de banda ancha para controlar la potencia incidente en los experimentos, pulsos estables CEP con 0.19 mJ 19 W y 7 fs de duración es decir, 2.6 ciclos están disponibles para experimentos. El sistema se empleará para HHG y producción aislada de pulsos de atosegundos, y será la base de una línea de haz de bomba-sonda de attosegundos con detección de coincidenciacapacidades de ction.
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Materiales proporcionado por Forschungsverbund Berlin eV FVB . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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