Un método innovador genera pulsos láser ultracortos y de alta potencia

• Los científicos generan pulsos más cortos que el período de la onda, utilizando un amplificador paramétrico óptico. 
• Se puede utilizar para observar cómo se mueven los electrones dentro de los átomos. 

En los últimos años, los pulsos de infrarrojo medio de pocos ciclos y alta energía han atraído mucho interés debido a sus numerosas aplicaciones, incluida la espectroscopia infrarroja 2D, la emisión de electrones por debajo del femtosegundo, la obtención de imágenes de compuestos con resolución temporal, la generación de rayos X blandos coherentes y de rayos X duros incoherentes.

Recientemente, los científicos del Instituto de Tecnología de Fabricación de Singapur de la A*STAR (Agencia para la Ciencia, la Tecnología y la Investigación) construyeron un sintetizador láser que genera pulsos infrarrojos más cortos que el período de la onda.

Esto podría permitir a los investigadores estudiar los movimientos de los electrones dentro de los átomos. Dado que las longitudes de onda de estos pulsos ultracortos caen dentro del rango del infrarrojo medio, son fácilmente absorbidos por varios átomos y moléculas.

El nuevo sintetizador láser

Dentro de los átomos, los electrones se mueven de una banda de energía a otra en femtosegundos (10-15 segundos) o incluso attosegundos (10-18 segundos). Debido a estas escalas de tiempo excepcionales, los científicos necesitan pulsos láser ultracortos y de alta potencia para observar y analizar tales eventos.

Una forma de producirlos es exponer cristales no lineales a pulsos infrarrojos muy cortos y extremadamente intensos. Sin embargo, el equipo no solo implementó las metodologías tradicionales, sino que mejoró la forma de crear pulsos cortos de infrarrojo medio.

Para generar pulsos más cortos que el período de la onda, se requiere un ancho de banda espectral amplio. Estudios anteriores combinan ventajas con múltiples coberturas espectrales para lograr anchos de banda tan grandes, lo cual es una tarea muy difícil y compleja. Debe controlar con precisión la amplitud relativa y la fase de las ventajas individuales, utilizando diferentes equipos de control de ruido.

Para simplificar las cosas, los científicos utilizaron un dispositivo llamado amplificador paramétrico óptico:una fuente de luz que emite dos pulsos láser de longitudes de onda variables. Las fases y amplitudes de estos dos pulsos se pueden configurar entre sí.

Referencia:Comunicaciones de la Naturaleza | doi:10.1038/s41467-017-00193-4

El amplificador que desarrollaron emite pulsos con un retardo de tiempo muy corto, por lo que se fusionan en un pulso de ancho de banda amplio sin requerir ningún sistema de control de ruido adicional. Es posible hacer que el pulso final sea incluso más corto que el período de la onda porque la interferencia destructiva corta el pulso en sus bordes, mientras que la interferencia constructiva ocurre en su centro.

Crédito de la imagen:Universidad Tecnológica de Viena

Cuando estos pulsos ultracortos se dirigen a materiales sólidos específicos, desencadenan la emisión de fotones de alta energía en regiones con alto contenido de ultravioleta. Estos fotones de alta energía se pueden utilizar para investigar los procesos que ocurren dentro de un átomo, lo que ocurre en una escala de tiempo de attosegundos.

En este estudio, los investigadores utilizaron pulsos de infrarrojo medio para producir fotones de alta energía en finas láminas de silicio. Más específicamente, demostraron un sintetizador de pulsos de infrarrojo medio de alta energía que cubría el ancho de banda de 2,5 a 9,0 micrómetros e impulsaron la generación de altos armónicos en muestras delgadas de silicio para mostrar las interacciones aisladas de campos fuertes en sólidos. Se observó que el ancho del pulso sintetizado fue de aproximadamente 12,4 femtosegundos, correspondientes a 0,88 ciclos ópticos a aproximadamente 4,2 micrómetros.

¿Qué sigue?

En el próximo trabajo, el equipo creará pulsos de electrones aislados de otros materiales, lo que permitiría inspeccionar procesos aún más rápidos dentro de los átomos.

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Además, los avances en las técnicas de bombeo láser podrían impulsar la fuente del subciclo del infrarrojo medio hacia potencias máximas para impulsar interacciones de alto campo en medios gaseosos.