В Институте Макса Борна завершена разработка мощной лазерной системы, способной воспроизводить параметры лазерных систем, обычно используемых в аттосекундных научных экспериментах, но с частотой повторения импульсов в 100 раз выше. Эта новая лазерная система позволяет проводить совершенно новый класс экспериментов с простыми атомными и небольшими молекулярными системами, а также проводить высокоточные исследования более сложных молекул.За последние 15-20 лет наличие световых импульсов в крайнем ультрафиолетовом (XUV) диапазоне электромагнитного спектра с длительностью порядка 100 с аттосекунд (1 as = 10-18 с) привело к появлению область аттосекундной науки. Используя эти чрезвычайно короткие импульсы, ученые получили беспрецедентное представление о временной эволюции электронов в атомах, молекулах и твердых телах, воспользовавшись техникой «накачка-зонд»: исследуемая система возбуждается одним лазерным импульсом «накачки» и через некоторое время задержка второго «зондирующего» импульса опрашивает систему (например, посредством ионизации).
Динамику, вызванную импульсом накачки, можно восстановить, повторив эксперимент с разным временем задержки. Используя технику «накачка-зонд», за последние годы был получен ряд впечатляющих результатов, касающихся таких тем, как индуцированная светом миграция заряда, многоэлектронные корреляции и связь между электронными и ядерными степенями свободы.
Обычно распределение скоростей ионов или электронов, генерируемых во время последовательности «накачка-зонд», определяется экспериментально или определяется переходный спектр поглощения XUV-импульса в зависимости от задержки «накачка-зонд». Часто процессы, индуцированные светом, являются сложными, и измерения только одной наблюдаемой не достаточно для полного понимания экспериментальных результатов.
Уже несколько лет назад, благодаря разработке так называемого «реакционного микроскопа», было достигнуто большое улучшение. Этот прибор позволяет измерять трехмерное распределение скоростей всех электронов и ионов, созданных в процессе накачки-зондирования.
Недостатком этого метода является то, что необходимы очень низкие скорости сигнала, то есть только от 10% до 20% всех лазерных импульсов. индуцируют образование электронно-ионной пары. Это приводит к очень долгому времени измерения с использованием современных лазерных систем.Импульсы в XUV с аттосекундной длительностью возникают, когда мощный лазерный импульс в VIS-NIR взаимодействует с газом атомов в процессе, называемом генерацией гармоник высокого порядка (HHG). Чтобы в процессе ГВГ сформировался одиночный XUV-импульс аттосекундной длительности, лазерные импульсы, взаимодействующие с газом, должны длиться всего несколько колебаний электромагнитного поля, что обычно означает менее 10 фс (1 фс = 10-15 s), и необходимо контролировать точную временную форму импульса.
Наиболее распространенный способ получения таких лазерных импульсов состоит в усилении коротких импульсов с контролируемой формой волны (управляемой фазой несущей и огибающей или CEP) в усилителе Ti: Sapphire лазера и сокращении длительности импульсов за счет нелинейной компрессии импульсов. , используя, например, заполненный газом полый капилляр. Однако частота повторения импульсов этих систем обычно ограничивается несколькими (1-3) кГц, а максимальная заявленная частота составляет 10 кГц из-за вредных тепловых эффектов, присущих лазерным усилителям.
Теперь исследователи из Института Макса Борна в Германии в сотрудничестве с коллегами из Норвежского научно-исследовательского института обороны разработали и построили лазерную систему, способную работать с гораздо более высокой частотой следования импульсов, чем типичные титан-сапфировые усилители. Недавно разработанная система идеально подходит для проведения экспериментов с накачкой и зондом в аттосекундной науке, реализуя обнаружение электронно-ионных совпадений в реакционном микроскопе.
Система основана на неколлинеарном оптическом параметрическом усилителе (НОПА). В параметрическом усилителе энергия сильного импульса накачки передается импульсу слабого сигнала при мгновенном нелинейном взаимодействии в кристалле. Коэффициент усиления и полоса пропускания процесса определяются условиями фазового согласования, то есть обеспечением того, что все фотоны на частоте сигнала излучаются синфазно и суммируются когерентно по мере распространения сигнального импульса в кристалле. Когда импульс накачки и затравочные импульсы входят в кристалл под небольшим углом (неколлинеарная геометрия), ширина полосы процесса максимизируется, и можно усиливать ультракороткие импульсы продолжительностью всего несколько циклов.
Более того, поскольку процесс происходит мгновенно и кристалл не поглощает свет, не происходит накопления тепла, а тепловые проблемы практически незначительны. Следовательно, усилители NOPA хорошо подходят для высоких частот повторения.В лазерной системе, представленной в недавно опубликованной статье в Optics Letters, исследователи усилили ультракороткие CEP-стабильные импульсы от Ti: Sapphire лазерного генератора в усилителе NOPA, накачиваемом коммерческим Yb: YAG-лазером с тонкими дисками с высокой частотой повторения. В параметрическом усилителе большая часть (около 20%) энергии импульсов системы Yb: YAG эффективно передается на ультракороткие CEP-стабильные импульсы от лазерного генератора Ti: Sapphire.
Таким образом, система NOPA способна выдавать импульсы с энергией 0,24 мДж с частотой повторения 100 кГц, что дает среднюю мощность 24 Вт на приблизительной центральной длине волны 800 нм. После сжатия, фильтрации паразитной второй гармоники и широкополосного переменного аттенюатора для управления мощностью, падающей на эксперименты, для экспериментов доступны CEP-стабильные импульсы с длительностью 0,19 мДж (19 Вт) и 7 фс (т. Е. 2,6 цикла).
Система будет использоваться для генерации ГВГ и изолированного аттосекундного импульса и станет основой аттосекундного луча накачки-зонд с возможностью обнаружения совпадений.