Fig. 1:(a) En specifik färg kan väljas från en bredbandsljuskälla med användning av t.ex. ett prisma eller ett galler. Detta kommer, dock, på bekostnad av att förlora det mesta av ljuset. (b) Genom att tillämpa en olinjär optisk teknik såsom fyrvågsblandning i krypton, det är möjligt att generera en specifik färg genom att använda allt tillgängligt ljus i olika färger. Kredit:Upphovsrätt:MBI
Forskare från Max Born Institute for Nolinear Optics and Short Pulse Spectroscopy (MBI) har utvecklat en ny metod för att modifiera den spektrala bredden av extremt ultraviolett (XUV) ljus. Genom att använda ett nytt fasmatchningsschema i fyrvågsblandning, de kunde komprimera den spektrala bredden av det initiala bredbandsljuset med mer än hundra gånger. De detaljerade experimentella och teoretiska resultaten har publicerats i Nature Photonics .
Ljus, som sänds ut av solen, består av många våglängder och ser vanligtvis ut som vit. Ibland, dock, bara vissa färger når våra ögon, leder till fantastiska fenomen som en efterglöd. För tekniska eller vetenskapliga tillämpningar som kräver en specifik färg, galler och prismor kan användas för att extrahera denna färg från det vita ljuset. Dock, det mesta av det inkommande ljuset går förlorat under denna process, och ljusintensiteten vid utgången är mycket låg.
Icke-linjära optiska tekniker har gjort det möjligt att ändra ljusets färg och modifiera dess spektrala bandbredd utan att kompromissa med intensiteten. Som illustreras i fig. 1, detta möjliggör generering av ljus med en specifik färg från bredbandsljus (som vitt ljus) eller vice versa. Dessa tekniker används i stor utsträckning inom spektroskopi, bildbehandling, och för generering av ultrakorta laserpulser. Dock, olinjära optiska tekniker är inte lätt tillgängliga i XUV-området av det elektromagnetiska spektrumet. Denna region är av ökande intresse för olika applikationer, inklusive attosecond science och EUV litografi.
Ett team av forskare från Max Born Institute har nyligen demonstrerat ett nytt koncept för att generera smalbandiga laserpulser i XUV-området. De kombinerade vitt bredbandsljus i det synliga området med ljus med ett brett spektrum i det vakuum-ultravioletta (VUV) området. Efter att båda dessa ljuspulser samtidigt fortplantat sig genom en tät stråle av kryptonatomer, en ny laserpuls i XUV-området genererades. Anmärkningsvärt, den spektrala bredden på den nya XUV-pulsen var mer än hundra gånger smalare jämfört med de initiala synliga och VUV-pulserna.
Forskarna använde ett schema som kallas fyrvågsblandning, där en kryptonatom absorberar två synliga fotoner och en VUV-foton, vilket leder till emission av en XUV-foton. På grund av energibesparing, den emitterade XUV-fotonen måste ha en frekvens som är lika med summan av frekvenserna för alla tre absorberade fotoner. På samma gång, på grund av momentumbevarande, hastigheten för den inkommande ljusvågen måste matcha hastigheten för den utgående vågen inuti blandningsmediet. Denna hastighet förändras mycket snabbt nära en atomresonans.
Fig. 2:XUV-spektralkompressionsschema:Brytningsindexet som funktion av fotonenergin visas med den röda streckade kurvan. I området runt 9,2 eV förändras det relativt långsamt (vänster sida), medan det förändras mycket snabbt i regionen runt 12.365 eV. Därför, en bredbandsabsorption (blått område) kan leda till en smalbandig emission (violett område) med hjälp av två synliga fotoner (visas med pilarna). Kredit:Upphovsrätt:MBI
För att generera det smalbandiga XUV-laserbandet, forskarna valde ett VUV-spektralområde ganska långt bort från någon resonans och ett mål-XUV-intervall mellan två resonanser. Genom att göra så, de kunde matcha hastigheterna för ett brett spektrum av inkommande våglängder till ett smalt område av utgående våglängder. I fig. 2, på vänstra sidan, absorption i VUV över ett brett spektralområde (blått område) indikeras. Den röda streckade kurvan indikerar det frekvensberoende brytningsindexet, vilket är ett mått på ljusets hastighet. På höger sida, ett smalt spektralområde i XUV-området (violett område) visas. I dessa regioner, ljuset färdas ungefär med samma hastighet, dvs. med ett liknande brytningsindex. Dessa hastigheter kan matchas av de nästan horisontella pilarna som indikerar fotonerna i det synliga spektrumet. Illustrationen visar att detta tillåter omvandling av ett bredbandigt VUV-spektrum med ett relativt platt våglängdshastighetsberoende till en smalbandig XUV-puls, där våglängdshastighetsberoendet är nära vertikalt.
Genereringen av smalbandiga XUV-pulser är intressant för tillämpningar som elektronspektroskopi, undersökningen av resonansövergångar, och den koherenta diffraktiva avbildningen av strukturer i nanoskala. I framtiden, den nya metoden skulle också kunna användas i motsatt riktning, dvs. för att spektralt bredda XUV-pulser, vilket kan resultera i generering av mycket korta XUV-pulser från källor som frielektronlasrar och mjuka röntgenlasrar.
