В 1961 году, вскоре после изобретения первого лазера, ученые подвергли кристаллы диоксида кремния (также известный как кварц) интенсивному воздействию рубинового лазера, чтобы удвоить его частоту, то есть изменить его цвет с видимого на ультрафиолетовый, что знаменует собой появление. нелинейной оптики и фотоники. Теперь исследователи вокруг доктора Элефтериоса Гулиельмакиса из исследовательской группы Attoelectronics в Институте квантовой оптики Макса Планка в Гархинге высветили интенсивный ультракороткий лазерный импульс на тонких пленках из того же материала, что и в упомянутом новаторском эксперименте, и сумели преобразовать лазерный свет. в излучение с частотой более чем в 20 раз превышающей частоту лазера, т. е. в крайний ультрафиолетовый диапазон спектра.Используемые лазерные импульсы представляли собой всего лишь одно колебание своего волнового цикла и позволяли ученым чрезвычайно быстро управлять движением электронов внутри кристаллической решетки.
Когда электроны материала отражаются от потенциала решетки, образованного атомами в кристалле, они излучают и, таким образом, преобразуют энергию, поглощаемую лазерным светом, в крайнее ультрафиолетовое излучение. Эксперименты открывают путь к новым твердотельным фотонным устройствам. Поскольку движение электронов, вызываемое лазерным импульсом, исследует свойства твердого тела, измерения испускаемого излучения приводят к более глубокому пониманию структуры и внутреннего устройства твердых тел.Нелинейная оптика и ее широкий спектр современных приложений в фундаментальной науке, лазерных технологиях, телекоммуникациях и медицине основаны на преобразовании света из одного цвета в другой — процессе, который происходит, когда интенсивный лазер взаимодействует с веществом.
Такие процессы позволяют генерировать лазерное излучение с частотами (цветом), которые нельзя получить непосредственно в лазерах, и, следовательно, использовать его для новых приложений.Более двух десятилетий ученые использовали очень интенсивные лазеры для управления движением электронов в атомах или молекулах в газовой фазе, например, для получения излучения в крайнем ультрафиолете или даже в рентгеновской части спектра. «В конденсированных средах, которые составляют основу современных фундаментальных и практических фотонных приложений, все гораздо сложнее, — говорит Гулиелмакис, руководитель исследовательской группы. Твердые тела не могут выдерживать интенсивные лазеры, не будучи поврежденными, и, что еще хуже, быстрые колеблющиеся атомы внутри твердого тела случайным образом сталкиваются с управляемыми лазером электронами, предотвращая генерацию когерентного лазерного излучения.
Используя чрезвычайно быстрые лазерные импульсы (обычно менее 2 фемтосекунд) — настолько быстрые, что они содержат только одно колебание световой волны, генерируемой так называемым синтезатором светового поля, — ученым из MPQ удалось обойти эти проблемы. «Материя может выдерживать интенсивное поле, когда освещается в течение очень короткого времени, чтобы произвести экстремальный ультрафиолет, и атомы просто перемещаются в пределах этого короткого временного диапазона», — говорит Тран Чунг Луу, ученый в команде.Но на этом ученые MPQ не остановились. «Мы использовали испускаемое EUV-излучение, чтобы раскрыть информацию о структуре — точнее, о дисперсии зоны проводимости — твердого тела, которая ранее была недоступна для спектроскопии твердого тела», — отмечает Гулиельмакис. Под воздействием оптических полей электроны переходят из валентной зоны в зону проводимости, где они ускоряются лазерным полем. «Когда электроны движутся, они« чувствуют »окружающую структуру твердого тела, и эта информация воплощается в испускаемом излучении», — говорит Маниш Гарг, ученый в команде.
Но как быстро электроны колеблются, чтобы произвести экстремальное ультрафиолетовое излучение в твердом теле? Об этом свидетельствует частота испускаемого излучения и теоретическая интерпретация экспериментов. «У нас есть веские основания полагать, что лазерные импульсы заставляют электроны совершать чрезвычайно быстрые колебания с частотами в десятки петагерц (1015 Гц) внутри кристалла», — объясняет Гулиельмакис. «Фактически, это самый быстрый электрический ток, когда-либо генерированный в твердом теле, и испускаемое излучение этих колебаний позволяет нам вглядываться в динамику этого чрезвычайно быстрого движения».
Управляя формой волны лазерных импульсов с помощью синтезатора светового поля, ученым также удалось контролировать эти сверхбыстрые электрические токи внутри твердого тела. «Наша работа открывает новые возможности для реализации световой электроники, работающей на частотах мультифГц», — резюмирует д-р Гулиельмакис.