Método revolucionario genera pulsos láser ultracortos y de alta potencia

Científicos generan pulsos más cortos que el período de la onda, usando un amplificador paramétrico óptico. Esta tecnología permite observar cómo se mueven los electrones dentro de los átomos.

Contexto: pulsos de infrarrojo medio de alta energía

En los últimos años, los pulsos de infrarrojo medio de alta energía y pocos ciclos han atraído gran interés por sus numerosas aplicaciones, incluyendo espectroscopía infrarroja 2D, emisión de electrones sub-femtosegundo, imagen temporal de compuestos, generación de rayos X blandos coherentes y duros incoherentes.

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

Esto podría permitir a los investigadores estudiar el movimiento de electrones dentro de los átomos. Dado que las longitudes de onda de estos pulsos ultracortos caen en el rango del infrarrojo medio, son fácilmente absorbidos por diversos 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 de alta potencia para observar y analizar tales eventos.

Una forma de producirlos es exponer cristales no lineales a pulsos infrarrojos muy cortos e intensos. Sin embargo, el equipo no solo implementó metodologías tradicionales, sino que mejoraron 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 previos combinaban pulsos con múltiples coberturas espectrales para lograr tales anchos de banda grandes, lo cual es una tarea altamente difícil y compleja. Se necesita controlar con precisión la amplitud y fase relativa de los pulsos individuales, usando diferentes equipos de control de ruido.

Para simplificar, los científicos usaron 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 pueden configurarse relativas entre sí.

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

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

Crédito de imagen: Universidad de Tecnología de Viena

Cuando estos pulsos ultracortos se dirigen sobre materiales sólidos específicos, provocan la emisión de fotones de alta energía en regiones de ultravioleta extremo. Estos fotones de alta energía pueden usarse para investigar procesos dentro de un átomo, que ocurren en una escala de tiempo de attosegundos.

En este estudio, los investigadores usaron pulsos de infrarrojo medio para producir fotones de alta energía en láminas delgadas de silicio. Más específicamente, demostraron un sintetizador de pulsos de alta energía y infrarrojo medio que cubre el ancho de banda de 2,5 a 9,0 micrómetros, e impulsaron la generación de armónicos altos en muestras delgadas de silicio para mostrar interacciones de campo fuerte aisladas en sólidos. El ancho del pulso sintetizado se observó en aproximadamente 12,4 femtosegundos, correspondiente a 0,88 ciclos ópticos a unos 4,2 micrómetros.

¿Qué sigue?

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

Además, los avances en técnicas de láser de bombeo podrían potencialmente impulsar la fuente de infrarrojo medio sub-ciclo hacia potencias pico para impulsar interacciones de alto campo en medios gaseosos.