Método inovador gera pulsos de laser ultracurtos e de alta potência

• Os cientistas geram pulsos mais curtos que o período da onda, usando um amplificador paramétrico óptico. 
• Pode ser usado para observar como os elétrons se movem dentro dos átomos. 

Nos últimos anos, pulsos de infravermelho médio de alta energia e poucos ciclos atraíram muito interesse devido às suas inúmeras aplicações, incluindo espectroscopia infravermelha 2D, emissão de elétrons sub-femtossegundos, geração de imagens de compostos resolvidas no tempo, raios X suaves coerentes e geração incoerente de raios X duros.

Recentemente, cientistas do Instituto de Tecnologia de Manufatura de Cingapura da A*STAR (Agência de Ciência, Tecnologia e Pesquisa) construíram um sintetizador a laser que gera pulsos infravermelhos mais curtos que o período da onda.

Isso poderia permitir aos pesquisadores estudar os movimentos dos elétrons dentro dos átomos. Como os comprimentos de onda desses pulsos ultracurtos estão na faixa do infravermelho médio, eles são facilmente absorvidos por vários átomos e moléculas.

O novo sintetizador a laser

Dentro dos átomos, os elétrons se movem de uma banda de energia para outra em femtossegundos (10 a 15 segundos) ou mesmo em attossegundos (10 a 18 segundos). Devido a essas escalas de tempo excepcionais, os cientistas precisam de pulsos de laser ultracurtos e de alta potência para observar e analisar tais eventos.

Uma maneira de produzi-los é expor cristais não lineares a pulsos infravermelhos muito curtos e extremamente intensos. No entanto, a equipe não apenas implementou as metodologias tradicionais, mas também melhorou a forma de criar pulsos curtos no infravermelho médio.

Para gerar pulsos mais curtos que o período da onda, é necessária uma ampla largura de banda espectral. Estudos anteriores combinam vantagens com múltiplas coberturas espectrais para alcançar larguras de banda tão grandes, o que é uma tarefa altamente difícil e complexa. Você precisa controlar com precisão a amplitude relativa e a fase das vantagens individuais, usando diferentes equipamentos de controle de ruído.

Para simplificar as coisas, os cientistas usaram um dispositivo chamado amplificador paramétrico óptico – uma fonte de luz que emite dois pulsos de laser de comprimentos de onda variáveis. As fases e amplitudes destes dois pulsos podem ser configuradas uma em relação à outra.

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

O amplificador que eles desenvolveram emite pulsos com um atraso muito curto, portanto eles se fundem em um pulso de largura de banda ampla sem a necessidade de qualquer sistema adicional de controle de ruído. É possível tornar o pulso final ainda mais curto que o período da onda porque a interferência destrutiva corta o pulso nas bordas, enquanto a interferência construtiva ocorre no centro.

Crédito da imagem:Universidade de Tecnologia de Viena

Quando esses pulsos ultracurtos são direcionados a materiais sólidos específicos, eles desencadeiam a emissão de fótons de alta energia em regiões de alto ultravioleta. Esses fótons de alta energia podem ser usados ​​posteriormente para investigar os processos que ocorrem dentro de um átomo, o que acontece em uma escala de tempo de attosegundos.

Neste estudo, os pesquisadores usaram pulsos de infravermelho médio para produzir fótons de alta energia em finas folhas de silício. Mais especificamente, eles demonstraram um sintetizador de pulso de infravermelho médio de alta energia cobrindo a largura de banda de 2,5 a 9,0 micrômetros e geraram geração de alto harmônico em amostras finas de silício para mostrar as interações isoladas de campo forte em sólidos. A largura do pulso sintetizado foi observada como aproximadamente 12,4 femtossegundos, correspondendo a 0,88 ciclo óptico a cerca de 4,2 micrômetros.

O que vem a seguir?

No próximo trabalho, a equipe criará pulsos de elétrons isolados de outros materiais, o que permitiria a inspeção de processos ainda mais rápidos dentro dos átomos.

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Além disso, os avanços nas técnicas de bombeamento de laser poderiam potencialmente empurrar a fonte do subciclo do infravermelho médio para potências de pico para conduzir interações de alto campo em meios gasosos.