Fig. 1:(a) È possibile selezionare un colore specifico da una sorgente luminosa a banda larga utilizzando ad es. un prisma o un reticolo. questo viene, però, a scapito di perdere la maggior parte della luce. (b) Applicando una tecnica ottica non lineare come la miscelazione a quattro onde in krypton, è possibile generare un colore specifico utilizzando tutta la luce disponibile in diversi colori. Credito:Copyright:MBI
I ricercatori del Max Born Institute for Nonlinear Optics and Short Pulse Spectroscopy (MBI) hanno sviluppato un nuovo metodo per modificare l'ampiezza spettrale della luce ultravioletta estrema (XUV). Impiegando un nuovo schema di adattamento di fase nella miscelazione a quattro onde, potrebbero comprimere la larghezza spettrale della luce a banda larga iniziale di oltre cento volte. I risultati sperimentali e teorici dettagliati sono stati pubblicati in Fotonica della natura .
Leggero, come emesso dal sole, consiste di molte lunghezze d'onda e in genere appare come bianco. Qualche volta, però, solo certi colori raggiungono i nostri occhi, portando a fenomeni sbalorditivi come un bagliore. Per applicazioni tecniche o scientifiche che richiedono un colore specifico, reticoli e prismi possono essere utilizzati per estrarre questo colore dalla luce bianca. Però, la maggior parte della luce in ingresso viene persa durante questo processo, e l'intensità della luce all'uscita è molto bassa.
Le tecniche ottiche non lineari hanno permesso di cambiare il colore della luce e modificare la sua larghezza di banda spettrale senza comprometterne l'intensità. Come illustrato in Fig. 1, ciò consente la generazione di luce con un colore specifico dalla luce a banda larga (come la luce bianca) o viceversa. Queste tecniche sono ampiamente applicate in spettroscopia, immagini, e per la generazione di impulsi laser ultracorti. Però, tecniche ottiche non lineari non sono facilmente disponibili nella regione XUV dello spettro elettromagnetico. Questa regione è di crescente interesse per varie applicazioni, compresa la scienza degli attosecondi e la litografia EUV.
Un team di ricercatori del Max Born Institute ha recentemente dimostrato un nuovo concetto per generare impulsi laser a banda stretta nella gamma XUV. Hanno combinato la luce bianca a banda larga nella regione visibile con la luce avente un ampio spettro nella regione del vuoto ultravioletto (VUV). Dopo che entrambi questi impulsi di luce si sono propagati simultaneamente attraverso un denso getto di atomi di krypton, è stato generato un nuovo impulso laser nella gamma XUV. Sorprendentemente, la larghezza spettrale del nuovo impulso XUV era più di cento volte più stretta rispetto agli impulsi visibili e VUV iniziali.
Gli scienziati hanno impiegato uno schema noto come miscelazione a quattro onde, dove un atomo di krypton assorbe due fotoni visibili e un fotone VUV, portando all'emissione di un fotone XUV. A causa del risparmio energetico, il fotone XUV emesso deve avere una frequenza pari alla somma delle frequenze di tutti e tre i fotoni assorbiti. Allo stesso tempo, a causa della conservazione della quantità di moto, la velocità dell'onda luminosa in entrata deve corrispondere alla velocità dell'onda in uscita all'interno del mezzo di miscelazione. Questa velocità cambia molto velocemente vicino a una risonanza atomica.
Fig. 2:Schema di compressione spettrale XUV:L'indice di rifrazione in funzione dell'energia del fotone è mostrato dalla curva tratteggiata rossa. Nella regione intorno a 9,2 eV cambia relativamente lentamente (lato sinistro), mentre cambia molto velocemente nella regione intorno a 12.365 eV. Perciò, un assorbimento a banda larga (area blu) può portare ad un'emissione a banda stretta (area viola) con l'aiuto di due fotoni visibili (indicati dalle frecce). Credito:Copyright:MBI
Per generare la banda laser XUV a banda stretta, i ricercatori hanno scelto un intervallo spettrale VUV abbastanza lontano da qualsiasi risonanza e un intervallo XUV target tra due risonanze. Così facendo, sono stati in grado di abbinare le velocità di un'ampia gamma di lunghezze d'onda in entrata a una ristretta regione di lunghezze d'onda in uscita. Nella figura 2, sul lato sinistro, è indicato l'assorbimento nel VUV su un ampio intervallo spettrale (area blu). La curva tratteggiata rossa indica l'indice di rifrazione dipendente dalla frequenza, che è una misura della velocità della luce. Dal lato giusto, viene mostrata una regione spettrale ristretta nell'intervallo XUV (area viola). In queste regioni, la luce viaggia approssimativamente alla stessa velocità, cioè., con un indice di rifrazione simile. Queste velocità possono essere abbinate alle frecce quasi orizzontali che indicano i fotoni nello spettro visibile. L'illustrazione mostra che ciò consente di convertire uno spettro VUV a banda larga con una dipendenza dalla lunghezza d'onda-velocità relativamente piatta in un impulso XUV a banda stretta, dove la dipendenza dalla lunghezza d'onda-velocità è quasi verticale.
La generazione di impulsi XUV a banda stretta è interessante per applicazioni come la spettroscopia elettronica, lo studio delle transizioni risonanti, e l'imaging diffrattivo coerente di strutture su nanoscala. Nel futuro, il nuovo metodo potrebbe essere utilizzato anche nella direzione opposta, cioè., per ampliare spettralmente gli impulsi XUV, che può comportare la generazione di impulsi XUV molto brevi da sorgenti come laser a elettroni liberi e laser a raggi X morbidi.
