Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Please add exception to AdBlock for elektroda.pl.
If you watch the ads, you support portal and users.

Naukowcom udało się wygenerować impulsy attosekundowe z repetycją 100 kHz

ghost666 21 Apr 2022 10:56 537 0
  • Naukowcom udało się wygenerować impulsy attosekundowe z repetycją 100 kHz
    System OPCPA zapewniający impulsy 7 fs
    przy częstotliwości repetycji 100 kHz.
    Impulsy te są skracane do 3,3 fs poprzez
    kompresję z pomocą pustych
    włókien. Eksperymenty ze smugami
    attosekundowymi są przeprowadzane
    na specjalnie skonstruowanej
    linii badawczej.
    Attosekundowe impulsy laserowe pracujące w skrajnym ultrafiolecie (XUV) to wyjątkowe narzędzie umożliwiające obserwację i kontrolę dynamiki elektronów w atomach, cząsteczkach i ciele stałym. Większość attosekundowych źródeł laserowych działa z częstotliwością powtarzania impulsów równą 1 kHz (1000 „strzałów” na sekundę), co ogranicza ich przydatność w złożonych eksperymentach. Korzystając z systemu laserowego dużej mocy opracowanego w MBI, naukowcom udało się wygenerować impulsy attosekundowe z częstotliwością powtarzania stanowiącą 100 kHz. Pozwala to na przeprowadzenie nowych doświadczeń w danej dziedzinie.

    Impulsy światła w obszarze ekstremalnego ultrafioletu (XUV) widma elektromagnetycznego o czasie trwania rzędu setek attosekund (1 as = 10^-18 s) umożliwiają badaczom weryfikowanie ultraszybkiej dynamiki elektronów w atomach, cząsteczkach i ciele stałym. Zazwyczaj eksperymenty są aranżowane przy użyciu sekwencji dwóch faktorów laserowych z kontrolowanym opóźnieniem między nimi. Pierwszy impuls wzbudza, a drugi tworzy: „migawkę” rozwijającego się układu, rejestrując interesującą własność materii, np. absorpcję. Zwykle rozkłady pędu jonów lub elektronów bądź przejściowe widmo absorpcji impulsu XUV są mierzone jako funkcja opóźnienia między dwoma czynnikami. Powtarzając eksperyment dla różnych okresów pomiędzy dwoma impulsami, można stworzyć kinetykę przedstawiającą ewolucję stanu danego układu w czasie.

    Aby uzyskać możliwie najbardziej szczegółowy wgląd w dynamikę badanego systemu, korzystne jest jak najpełniejsze oszacowanie dostępnych informacji. W eksperymentach z celami atomowymi i molekularnymi owocne może być zmierzenie trójwymiarowych pędów wszystkich naładowanych cząstek. Można to osiągnąć za pomocą tak zwanego mikroskopu reakcyjnego (REMI). Schemat układu opiera się na zapewnieniu pojedynczych zdarzeń jonizacji dla każdego strzału laserowego i jednoczesne wykrywanie elektronów oraz jonów. Ma to, jednak tę wadę, że prędkość wychwytywania jest ograniczona do ułamka (zwykle 10 do 20%) częstości powtarzania impulsów laserowych. Znaczące eksperymenty typu pompa-sonda w REMI nie są możliwe z attosekundowymi źródłami impulsów o częstotliwości repetycji na poziomie 1 kHz. Jako że impulsów jest zbyt mało, aby w sensownym czasie zebrać kinetykę.

    W MBI opracowano system laserowy oparty na optycznym parametrycznym wzmocnieniu impulsów świergotowych (OPCPA). We wzmacniaczu parametrycznym w ośrodku odpowiedzialnym za wzmocnienie, nie jest w żaden sposób magazynowana energia, stąd wytwarza się bardzo mało ciepła. Umożliwia to podbicie impulsów laserowych do znacznie wyższych średnich mocy niż w przypadku obecnego: „konia roboczego” systemów optycznych — lasera tytanowo-szafirowego, który jest najczęściej używany w laboratoriach attosekundowych na całym świecie. Drugą zaletą technologii OPCPA jest możliwość potęgowania impulsów o bardzo szerokich widmach. System z OPCPA bezpośrednio intensyfikuje kilkucyklowe impulsy laserowe o czasie trwania 7 fs do średniej mocy 20 W. Przekłada się to na energię impulsu równą 200 µJ przy częstotliwości repetycji 100 kHz. Dzięki temu mechanizmowi udało się już wcześniej z powodzeniem generować ciągi impulsów attosekundowych.

    W wielu eksperymentach tego typu korzystne jest posiadanie izolowanych impulsów attosekundowych, zamiast ich ciągu. Aby umożliwić ich wydajne generowanie, impulsy laserowe napędzające cały proces powinny mieć czas trwania jak najbardziej zbliżony do pojedynczego cyklu fali elektromagnetycznej. W ten sposób emisja jest ograniczona do jednego punktu w czasie, co prowadzi do generacji izolowanych impulsów attosekundowych. Aby osiągnąć te niemal jednocyklowe zastosowano technikę kompresji z wykorzystaniem pustych włókien światłowodowych. Te tak zwane światłowody fotoniczne, to włókna, które zamiast rdzenia wykonanego z odmiennego materiału optycznego posiadają przestrzeń, gdzie znajduje się powietrze. Włókna tego rodzaju (nazywane światłowodami fotonicznymi) mogą przyjmować klasyczną geometrię z koncentrycznie ułożonym pustym rdzeniem otoczonym szkłem lub złożony układ niezapełnionych obszarów, np. przypominający plaster miodu, co pozwala na bardziej zaawansowane modulowanie własności optycznych.

    Impulsy 7 fs są przesyłane przez światłowód fotoniczny o długości 1 m, którego puste przestrzenie wypełnione są gazem szlachetnym — neonem — w celu poszerzenia widma. Używając specjalnie zaprojektowanych luster generujących impulsy świergotowe możliwa jest kompresja impulsów światła do czasu trwania nawet na poziomie 3,3 fs. Impulsy te składają się z zaledwie 1,3 cykli optycznych.

    Naukowcom udało się wygenerować impulsy attosekundowe z repetycją 100 kHz
    Pomiary dla impulsu attosekundowego. (a) Zmierzony przebieg smug fotoelektronowych.
    (b) Obwiednia intensywności odzyskanego izolowanego impulsu attosekundowego (wstawka: profil intensywności w skali logarytmicznej)
    (c) Odzyskana intensywność widmowa i faza widmowa.


    Impulsy o czasie trwania 1,3 cyklu okresu elektromagnetycznej są wysyłane następnie do attosekundowej linii badawczej opracowanej w MBI. Główna część energii jest wykorzystywana do generowania izolowanych attosekundowych impulsów XUV w docelowej komórce gazowej. Po usunięciu wiązki NIR o dużej mocy, filtrowaniu widmowym i ogniskowaniu do eksperymentów dostępnych jest około 10^6 fotonów na strzał lasera (co odpowiada bezprecedensowo wysokiemu strumieniowi wynoszącemu 10^11 fotonów na sekundę).

    Aby scharakteryzować generowane attosekundowe impulsy XUV przeprowadzono doświadczenie z wykorzystaniem tzw. smug. Zasadniczo w badaniu tym impuls promieniowania XUV służy do jonizacji ośrodka gazu atomowego (w tym przypadku neonu). Podczas gdy silny impuls NIR jest używany do modulowania pakietów fal fotoelektronów wytwarzanych przez XUV. W zależności od dokładnej synchronizacji impulsów XUV i NIR, fotoelektrony są przyspieszane lub zwalniane (nabierają lub tracą energię), co prowadzi do powstania charakterystycznego śladu: „smug”. Na podstawie tej macierzy danych można określić dokładne formy zarówno impulsu NIR, jak i XUV. Kształty impulsów attosekundowych zostały zoptymalizowane za pomocą globalnego algorytmu opracowanego na potrzeby tego projektu. A wnikliwa analiza przeprowadzona przez badaczy pokazuje, że te wiodące mają czasy trwania równe 124±3 as. Przy czym głównemu towarzyszą dwa sąsiednie — satelitarne. Wynikają one z generowania impulsu attosekundowego w połowie cyklu NIR przed i po wytworzeniu kluczowego. Satelity przed i po impulsie mają względną intensywność odpowiednio na poziomie 1 × 10^-3 oraz 6 × 10^-4.

    Izolowane impulsy attosekundowe o wysokim strumieniu otwierają drzwi do badań z zakresu spektroskopii attosekundowej z pompą i sondą z częstotliwością powtarzania o 1 lub 2 rzędy wielkości powyżej uzyskiwanych w obecnych implementacjach. Badania te zostały opublikowane w czasopiśmie naukowym Optica. Obecnie naukowcy rozpoczynają pracę nad kolejnym eksperymentem z impulsami attosekundowymi w mikroskopie reakcyjnym (REMI).

    Źródło: https://phys.org/news/2022-03-attosecond-pulses-khz-repetition.html

    Cool? Ranking DIY
    About Author
    ghost666
    Translator, editor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 wrote 11500 posts with rating 9721, helped 157 times. Live in city Warszawa. Been with us since 2003 year.