Attosecond-vetenskapen har revolutionerat vårt sätt att titta på den tidsberoende utvecklingen av den mikroskopiska världen, där materiens beteende styrs av kvantmekanikens regler. Det tekniska genombrottet som möjliggjorde utvecklingen av fältet är baserat på genereringen av ultrakorte laserpulser som endast varar några få svängningar av det elektriska fältet. Dessa korta pulser har en fokuserad intensitet där det elektriska fältet är jämförbart med det elektroner upplever inuti atomer och molekyler. Det är möjligt att styra både den exakta tidsformen och vågformen för dessa ultrakorte pulser. Medan ultrakorte laserpulser har använts i några laboratorier världen över för att studera ljusinducerad dynamik i atomer och molekyler, många frågor är obesvarade, på grund av de låga datahastigheterna och i sig låga SNR som kan uppnås med nuvarande toppmoderna lasersystem.

På Max Born Institute, ett kraftfullt lasersystem har nu slutförts, kan reproducera parametrarna för lasersystem som vanligtvis används vid attosekundvetenskapliga experiment, men med en 100 gånger högre pulsrepetitionsfrekvens. Detta nya lasersystem möjliggör en helt ny klass av experiment i enkla atom- och småmolekylära system, samt high fidelity -undersökningar av mer komplexa molekyler.

Under de senaste 15-20 åren har tillgängligheten av ljuspulser i det extrema ultravioletta (XUV) området i det elektromagnetiska spektrumet, med varaktigheter i storleksordningen hundratals attosekunder (1 som =10 ^-18 s) har möjliggjort uppkomsten av området för attosekundvetenskap. Med hjälp av dessa extremt korta pulser har forskare fått oöverträffad inblick i elektronernas tidsutveckling i atomer, molekyler och fasta ämnen, genom att utnyttja pump-sondtekniken:Det undersökta systemet exciteras av en "pump" laserpuls och efter en viss fördröjning förfrågar en andra "sond" -puls systemet (t.ex. genom jonisering). Dynamiken som induceras av pumppulsen kan hämtas genom att upprepa experimentet vid olika fördröjningstider. Med hjälp av pumpsondtekniken har ett antal imponerande resultat uppnåtts under de senaste åren som behandlat ämnen som ljusinducerad laddningsmigration, multi-elektronkorrelationer, och kopplingen mellan elektroniska och nukleära frihetsgrader. Typiskt bestäms hastighetsfördelningarna för joner eller elektroner som genereras under pump-prob-sekvensen experimentellt eller det transienta absorptionsspektrumet för XUV-pulsen som en funktion av pump-probfördröjningen detekteras. Ofta är de ljusinducerade processerna komplexa och det är inte tillräckligt att bara mäta en observerbar för att helt förstå de experimentella resultaten. Redan för flera år sedan, tack vare utvecklingen av det så kallade "reaktionsmikroskopet, "En stor förbättring uppnåddes. Denna apparat möjliggör en mätning av den tredimensionella hastighetsfördelningen av alla elektroner och joner som skapas i pumpsondprocessen. Nackdelen med denna teknik är att mycket låga signalhastigheter är nödvändiga, dvs endast 10 till 20 procent av alla laserskott bör inducera bildandet av ett elektronjonpar. Detta leder till mycket långa mättider med dagens toppmoderna lasersystem.

Pulser i XUV med attosekundvaraktighet produceras när en stark laserpuls i VIS-NIR interagerar med en gas av atomer i en process som kallas harmonisk generation med hög ordning (HHG). För att en enda XUV -puls med attosekundslängd ska bildas under HHG -processen, laserpulserna som interagerar med gasen bör endast vara några få oscillationer av det elektromagnetiska fältet, vilket vanligtvis betyder mindre än 10 fs (1 fs =10 ^-15 s), och den exakta tidsformen på pulsen måste kontrolleras. Det mest spridda sättet att producera sådana laserpulser består i att förstärka korta pulser med en kontrollerad vågform (Carrier-Envelope Phase- eller CEP-kontrollerad) i en Ti:Sapphire-laserförstärkare och förkorta pulsernas varaktighet via olinjär pulskompression , med hjälp av t.ex. en gasfylld ihålig kärna kapillär. Dock, pulsrepetitionshastigheten för dessa system är vanligtvis begränsad till några kHz, och en maximal rapporterad frekvens på 10 kHz, på grund av skadliga termiska effekter som är inneboende i laserförstärkarna.

Nu, forskare vid Max Born Institute i Tyskland, i samarbete med kollegor vid den norska försvarsforskningsinstitutionen, har konstruerat och byggt ett lasersystem som kan fungera med mycket högre pulsrepetitionsfrekvenser än de typiska Ti:Sapphire -förstärkarna. Det nyutvecklade systemet är perfekt lämpat för att utföra pumpsond-experiment i attosekundvetenskap som genomför elektron-jon-slumpdetektering i ett reaktionsmikroskop.

Systemet är baserat på en icke -linjär optisk parametrisk förstärkare (NOPA). I en parametrisk förstärkare, energin från en stark pumppuls överförs till en svag signalpuls vid en momentan olinjär interaktion i en kristall. Förstärkningen och bandbredden för processen bestäms av villkor för fasmatchning, det är, genom att se till att alla fotoner vid signalfrekvensen avges i fas och adderas sammanhängande när signalpulsen förökar sig i kristallen. När pumpen och utsädespulserna kommer in i kristallen med en liten vinkel (icke -linjär geometri), processens bandbredd maximeras och det är möjligt att förstärka ultrakortpulser som endast varar i några cykler. Dessutom, eftersom processen är omedelbar och det inte finns någon absorption av ljus i kristallen, det finns ingen värmeackumulering och termiska problem är nästan försumbara. Därför, NOPA -förstärkare är väl lämpade för höga repetitionsfrekvenser.

I lasersystemet som presenteras i en nyligen publicerad artikel i Optikbokstäver , forskarna förstärkte ultrakort CEP-stabila pulser från en Ti:Sapphire laseroscillator i en NOPA-förstärkare pumpad av en kommersiell Yb:YAG tunnskivlaser med hög upprepningshastighet. I den parametriska förstärkaren överförs en stor fraktion (cirka 20 procent) av energin från pulserna från Yb:YAG-systemet effektivt till de ultrakorte CEP-stabila pulserna från Ti:Sapphire laseroscillatorn. NOPA -systemet kan således leverera pulser med 0,24 mJ energi vid en repetitionshastighet på 100 kHz, vilket resulterar i en medeleffekt på 24 W vid en ungefärlig central våglängd på 800 nm. Efter komprimering, filtrering av parasitiska andra övertoner och en bredbandsvariabel dämpare för att styra effekten som inträffar i experimenten, CEP-stabila pulser med 0,19 mJ (19 W) och 7 fs varaktighet (dvs. 2,6 cykler) är tillgängliga för experiment. Systemet kommer att användas för HHG och isolerad attosekundpulsproduktion, och kommer att vara grunden för en attosekundpump-sondstrålning med slumpdetekteringsmöjligheter.