Современные лазеры с синхронизацией мод способны производить чрезвычайно короткие световые вспышки, которые длятся всего несколько фемтосекунд. За одну фемтосекунду свет, который устремляется от Земли к Луне всего за одну секунду, продвигается только на три десятитысячных миллиметра. Такие короткие импульсы состоят только из одного или двух колебаний электромагнитного поля, которым предшествуют и за которыми следуют волны меньшей амплитуды, которые быстро затухают. Для оптимального использования для исследования ультракоротких процессов, происходящих на уровне молекул и атомов, важно знать точную форму колебаний большой амплитуды.
Команда из лаборатории аттосекундной физики Института квантовой оптики Макса Планка (MPQ), в которую входят ученые из Technische Universitaet Muenchen (TUM), Людвиг Максимилианс-Universitaet Muenchen (LMU) и другие партнеры по сотрудничеству, теперь разработала стеклянную детектор, позволяющий точно определять форму световых волн, составляющих отдельный фемтосекундный импульс.
В ходе экспериментов, проведенных в течение последних нескольких лет, физики из группы под руководством профессора Ференца Крауса (MPQ / LMU) и профессора Рейнхарда Кинбергера (TUM) выяснили, что когда импульсный лазерный свет высокой интенсивности падает на стекло, он вызывает измеримые количества электрического тока в материале. Краус и его коллеги обнаружили, что направление потока тока, генерируемого падающим фемтосекундным импульсом, чувствительно зависит от точной формы его волнового пакета.
Чтобы откалибровать новый стеклянный детектор, исследователи соединили свою систему с обычным прибором, используемым для измерения форм световых волн.
Поскольку энергии, связанной с лазерным импульсом, достаточно для высвобождения связанных электронов из атомов благородного газа, такого как ксенон, «классический» детектор измеряет токи, вызванные движением этих свободных электронов. Но есть загвоздка – измерения нужно проводить в высоком вакууме.
Сравнивая токи, наведенные в новом твердотельном детекторе, с данными, полученными с помощью обычного устройства, команда смогла охарактеризовать характеристики своей новой установки на основе стекла, так что теперь ее можно использовать в качестве надежной фазы. детектор фемтосекундных лазерных импульсов с малым периодом. Новый прибор значительно упрощает измерения в области сверхбыстрых физических процессов, поскольку можно обойтись без громоздких вакуумных камер.
Более того, в практическом применении этот метод намного проще, чем методы, доступные до сих пор для отображения сигналов.
Если известна точная форма волны фемтосекундного лазерного импульса, становится возможным воспроизводимо генерировать стабильные серии ультракоротких аттосекундных световых вспышек, каждая в тысячу раз короче, чем импульс, используемый для их возбуждения. Состав аттосекундных вспышек, в свою очередь, сильно зависит от точной формы фемтосекундных импульсов.
Аттосекундные вспышки можно использовать для «фотографирования» движения электронов в атомах или молекулах. Чтобы получить изображения с высоким разрешением, длину вспышек необходимо настроить с учетом материала, который нужно исследовать.
Высокочувствительные и надежные измерения физических процессов на уровне микромира с помощью одиночных аттосекундных световых вспышек известной формы должны стать проще в выполнении, потому что благодаря новому фазовому детектору на основе стекла источник энергии для их возбуждения – форма волны лазерных импульсов – теперь может управляться намного легче, чем раньше.
Исследование финансировалось Европейским исследовательским советом (ERC), Международной программой стипендий Марии Кюри Европейского союза, Немецким исследовательским фондом через Кластер передового опыта Мюнхенского центра передовой фотоники (MAP), Швейцарским национальным научным фондом и Фонд Александра фон Гумбольдта.