Forskare vid Institut national de la recherche scientifique (INRS) har upptäckt ett kostnadseffektivt sätt att ställa in en lasers spektrum till det infraröda, ett band av stort intresse för många laserapplikationer. De samarbetade med österrikiska och ryska forskarlag för att utveckla denna innovation, som nu är föremål för en patentansökan. Resultaten av deras arbete publicerades nyligen i Optica , flaggskeppstidningen för Optical Society (OSA).

Inom detta studieområde, många laserapplikationer har en avgörande fördel om laservåglängden är lokaliserad och möjligen avstämbar i det infraröda området. Dock, detta är fortfarande knappast fallet med nuvarande ultrasnabba laserteknologier, och forskare behöver utforska olika icke-linjära processer för att ändra emissionsvåglängden. Särskilt, den optiska parametriska förstärkaren (OPA) har hittills varit det enda väletablerade verktyget för att nå detta infraröda fönster. Även om OPA-system erbjuder ett brett utbud av avstämningsmöjligheter, de är komplexa, ofta gjord av flera steg, och ganska dyrt.

Teamet av professor Luca Razzari, i samarbete med professor Roberto Morandotti, har visat att avstämningsförmåga med stor våglängd också kan uppnås med ett enkelt och mycket billigare system:en ihålig (kapillär) fiber fylld med kväve. Dessutom, detta tillvägagångssätt levererar lätt optiska pulser kortare än ingångslaserns och med hög rumslig kvalitet. Forskarna hade också fördelen av INRS expertis på detta område, eftersom det speciella systemet för att sträcka och hålla sådana fibrer marknadsförs av startup few-cycle.

Asymmetrisk spektral breddning

Vanligtvis, Ihåliga fibrer fylls med en monoatomisk gas såsom argon för att symmetriskt bredda laserns spektrum och sedan komprimera det till en mycket kortare optisk puls. Forskargruppen upptäckte att genom att använda en molekylär gas som kväve, spektral breddning var fortfarande möjlig, men på ett oväntat sätt.

"Istället för att sprida sig symmetriskt, spektrumet skiftades imponerande mot mindre energiska infraröda våglängder. Denna frekvensförskjutning är resultatet av det olinjära svaret som är associerat med rotationen av gasmolekylerna och, som sådan, det kan enkelt kontrolleras genom att variera gastrycket (dvs. antalet molekyler) i fibern, " förklarar Dr Riccardo Piccoli, som ledde experimenten i Razzaris team.

När strålen har breddats mot det infraröda, forskarna filtrerar utdataspektrumet för att bara behålla det intressanta bandet. Med detta tillvägagångssätt, energi överförs till det nära-infraröda spektralområdet (med effektivitet jämförbar med OPA:s) i en puls som är tre gånger kortare än ingången, utan någon komplex apparat eller ytterligare pulsefterkompressionssystem.

Ett internationellt samarbete

För att slutföra forskningen, INRS-forskarna gick ihop med österrikiska och ryska kollegor. "Vi slog ihop vår expertis efter att på en konferens upptäckte hur lika de fenomen som våra två grupper hade observerat var, säger Razzari.

Teamet av forskare baserade i Wien ledda av professor Andrius Baltuska och Dr. Paolo A. Carpeggiani hade en kompletterande strategi till INRS. De använde också en kvävefylld ihålig fiber, men istället för att filtrera spektrumet, de komprimerade den i tid med speglar som kunde justera fasen för den breddade pulsen. "I detta fall, den totala förändringen i det infraröda var mindre extrem, men den sista pulsen var mycket kortare och mer intensiv, perfekt lämpad för attosekunds- och starkfältsfysik, " säger Dr Carpeggiani.

Det Moskva-baserade laget, ledd av professor Aleksei Zheltikov, fokuserat på att utveckla en teoretisk modell för att förklara dessa optiska fenomen. Genom att kombinera dessa tre tillvägagångssätt, forskarna kunde till fullo förstå den komplexa underliggande dynamiken och uppnå inte bara det extrema röda skiftet med kväve, men också effektiv pulskompression i det infraröda området.

Det internationella teamet tror att metoden mycket väl kan möta den ökande efterfrågan på långvågiga ultrasnabba källor i laser- och starkfältstillämpningar, börjar med billigare avstämbara system av industriell kvalitet baserade på den framväxande ytterbiumlaserteknologin.