Terwijl wetenschappers de natuur steeds nauwkeuriger onderzoeken met laserpulsen, nu strevend naar het zeptoseconde regime - een biljoenste van een miljardste van een seconde en de snelst gemeten tijdschaal - kan het optimaliseren van elke parameter van die pulsen meer fijn afgestemde metingen van tot nu toe onbekende dynamische eigenschappen opleveren. De lasergolflengte, duur en energie van elke puls, en de snelheid waarmee pulsen worden geproduceerd, zijn allemaal sleutelfactoren bij het observeren van dynamiek, zoals de realtime elektronbewegingen van afzonderlijke moleculen samen met de beweging van consistente atomen.

Lange golflengte (infrarood), hoogenergetische pulsen die honderdduizenden keren per seconde worden geproduceerd, zijn nog steeds erg moeilijk te produceren. Dit zijn noodzakelijke voorwaarden, echter, voor het creëren van röntgenstraling met voldoende energie om waterinteracties te overwinnen die momenteel het gebruik van röntgenmicroscopie van levende exemplaren beperken.

Een in Europa gevestigde onderzoekssamenwerking tussen The Institute of Photonic Sciences (ICFO), Spanje, en het Max Planck Instituut voor de Wetenschap van het Licht (MPL), Duitsland, meldt nu de ontwikkeling van een dergelijke bron, produceren 9,6 watt mid-infrarood (mid-IR) pulsen, met een herhalingssnelheid van 160 kilohertz, door een innovatieve vezelgeometrie en parametrische versterker samen te gebruiken.

Elke puls bestaat uit een enkele cyclus van de optische golf die wordt gegenereerd door een met gas gevuld, holle-kern fotonische kristalvezel die geen externe compressie vereist, een externe signaalverwerking die andere systemen doorgaans nodig hebben om dergelijke schone pulsen te produceren. De resultaten van dit onderzoek worden gepresenteerd tijdens het OSA Laser Congress, 1-5 oktober 2017 in Nagoya, Japan.

"De betekenis van ons werk is het bereiken van pulsgeneratie bij de ultieme fysieke limiet van één oscillatie van het elektrische veld in het midden van IR, en met ongekende kracht, " zei Ugaitz Elu, een promovendus bij ICFO en lid van het onderzoeksteam. "Het elektrische veld is reproduceerbaar, carrier-to-envelop-fase stabiel, en de toepassing op sterke veldfysica en het genereren van hoge harmonische moet leiden tot de eerste geïsoleerde golfvormen in het bereik van harde röntgenstralen en zeptoseconden."

Een essentieel onderdeel van het produceren van dergelijke korte pulsen is hun verbreding en nauwkeurige compressie. Om het spectrum van frequenties goed te laten overlappen, het team werkte om de laatste optische pulsgolf te produceren.

Gepiepte spiegels, die bestaan ​​uit meerdere gestapelde coatings om elk deel van de spectra afzonderlijk weer te geven, worden vaak gebruikt in fiberlasersystemen om deze compressie extern te bereiken na verbreding in de met gas gevulde kern van de fiber. In het midden van de IR-regio, echter, de vezel zou de energie van de pulsen absorberen voordat een spectrale verbreding wordt bereikt en deze vernietigen. De geometrie geïmplementeerd door Elu en zijn medewerkers slaat dit gebruik van getjilpte spiegels helemaal over, en bereikt zowel verbreding als compressie in de vezel.

"Hier, we gebruikten een speciaal ontworpen fotonische bandgap-vezel waarvan de geometrie dergelijke absorptie vermijdt, "zei Elu. "We kunnen verbreding en compressie in dezelfde vezel bereiken zonder getjilpte spiegels."

De energie- en tijdregimes die deze optische tafelbladconfiguratie demonstreert, maken een breed scala aan toepassingen mogelijk, met name die die voortkomen uit de coherente harde röntgenstralen die ze haalbaar maken.

Het hebben van een hulpmiddel om dynamiek met zo'n precisie vast te leggen, zou een venster openen om te kijken, live, de subatomaire processen van elektronen die energie absorberen en uitzenden tijdens chemische reacties. "Ons systeem is verbazingwekkend veelzijdig, " zei Elu. "Bijvoorbeeld, we gebruiken het voor elektronenzelfdiffractie waarmee we alle atomen in een molecuul konden oplossen terwijl een van zijn bindingen brak."