Durchbruch-Methode erzeugt ultrakurze, hochenergetische Laserpulse

• Wissenschaftler generieren Pulse kürzer als Wellenperiode via Optical Parametric Amplifier.
• Ermöglicht Beobachtung von Elektronenbewegungen innerhalb von Atomen.

In den letzten Jahren: High-Energy Few-Cycle Mid-Infrared Pulses ziehen großes Interesse – zahlreiche Anwendungen: 2D Infrared Spectroscopy, Sub-Femtosecond Electron Emission, Time-Resolved Imaging von Compounds, Coherent Soft X-Ray & Incoherent Hard X-Ray Generation.

Wissenschaftler am A*STAR (Agency for Science, Technology and Research) Singapore Institute of Manufacturing Technology: Laser Synthesizer generiert Infrared Pulses kürzer als Wellenperiode.

Ermöglicht Forschern Studium von Elektronenbewegungen in Atomen. Wellenlängen dieser Ultrashort Pulses fallen in Mid-Infrared Range → leicht absorbierbar von verschiedenen Atomen & Molekülen.

Der neue Laser Synthesizer

In Atomen: Elektronen wechseln Energiebänder in Femtosekunden (10⁻¹⁵ s) oder Attosekunden (10⁻¹⁸ s). Aufgrund dieser extremen Zeitskalen: High-Power Ultrashort Laser Pulses nötig für Observation & Analyse.

Ein Weg: Nonlinear Crystals exponieren sehr kurzen, extrem intensiven Infrared Pulses. Team verbesserte Erzeugung kurzer Mid-Infrared Pulses statt traditioneller Methoden.

Für Pulse kürzer als Wellenperiode: breite Spektralbandbreite nötig. Frühere Studien: Kombination Pulsen mit multiple Spectral Coverages für große Bandbreiten – hochkomplex & schwierig. Erfordert präzise Kontrolle relativer Amplitude & Phase einzelner Pulse via Noise-Control Equipment.

Vereinfachung: Optical Parametric Amplifier – Light Source emittiert zwei Laserpulse variabler Wellenlängen. Phasen & Amplituden dieser zwei Pulse konfigurierbar relativ zueinander.

Referenz: Nature Communications | doi:10.1038/s41467-017-00193-4

Entwickelter Amplifier emittiert Pulse mit sehr kurzem Zeitverzug → merges zu Wide-Bandwidth Pulse ohne zusätzliche Noise Control Systeme. Finaler Pulse sogar kürzer als Wellenperiode möglich: Destructive Interference schneidet Pulse an Rändern, Constructive Interference im Zentrum.

Bild: Vienna University of Technology

Richtung dieser Ultrashort Pulses auf spezifische Festkörper → Emission High-Energy Photons in High-UV Regions. Diese Photons nutzbar für Investigation Prozesse inside Atomen (Attosekunden-Zeitskala).

Studie: Mid-Infrared Pulses → High-Energy Photons in dünnen Silizium-Schichten. Demonstriert: High-Energy Mid-Infrared Pulse Synthesizer, Bandbreite 2,5–9,0 µm, drove High-Harmonic Generation in dünnen Silizium-Samples → isolierte Strong-Field Interactions in Solids. Synthesized Pulse Width: ~12,4 Femtosekunden = 0,88 Optical Cycle bei ~4,2 µm.

Ausblick

Nächste Arbeit: Isolierte Elektronenpulse aus anderen Materialien → Inspektion noch schnellerer Prozesse in Atomen.

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