Onderzoekers van het Institut national de la recherche scientifique (INRS) hebben een kosteneffectieve manier ontdekt om het spectrum van een laser af te stemmen op het infrarood, een band van groot belang voor veel lasertoepassingen. Ze werkten samen met Oostenrijkse en Russische onderzoeksteams om deze innovatie te ontwikkelen, waarvoor nu een octrooi is aangevraagd. De resultaten van hun werk zijn onlangs gepubliceerd in optiek , het vlaggenschip tijdschrift van de Optical Society (OSA).

In dit vakgebied, veel lasertoepassingen hebben een beslissend voordeel als de lasergolflengte zich in het infraroodgebied bevindt en mogelijk afstemt. Echter, dit is nog nauwelijks het geval met de huidige ultrasnelle lasertechnologieën, en wetenschappers moeten verschillende niet-lineaire processen onderzoeken om de emissiegolflengte te verschuiven. Vooral, de Optical Parametric Amplifier (OPA) is tot nu toe het enige goed ingeburgerde instrument om dit infraroodvenster te bereiken. Hoewel OPA-systemen een breed scala aan afstemmogelijkheden bieden, ze zijn ingewikkeld, vaak gemaakt van meerdere fasen, en vrij duur.

Het team van professor Luca Razzari, in samenwerking met professor Roberto Morandotti, heeft aangetoond dat een grote golflengte-afstembaarheid ook kan worden bereikt met een eenvoudig en veel goedkoper systeem:een holle-kern (capillaire) vezel gevuld met stikstof. In aanvulling, deze benadering levert gemakkelijk optische pulsen die korter zijn dan die van de invoerlaser en met een hoge ruimtelijke kwaliteit. De onderzoekers hadden ook het voordeel van INRS-expertise op dit gebied, aangezien het speciale systeem om dergelijke vezels uit te rekken en vast te houden, op de markt wordt gebracht door de startup few-cycle.

Asymmetrische spectrale verbreding

Gebruikelijk, holle-kernvezels zijn gevuld met een monoatomisch gas zoals argon om het spectrum van de laser symmetrisch te verbreden en het vervolgens opnieuw te comprimeren tot een veel kortere optische puls. Het onderzoeksteam ontdekte dat door het gebruik van een moleculair gas zoals stikstof, spectrale verbreding was nog steeds mogelijk, maar op een onverwachte manier.

"In plaats van symmetrisch te verspreiden, het spectrum was op indrukwekkende wijze verschoven naar minder energetische infrarode golflengten. Deze frequentieverschuiving is het resultaat van de niet-lineaire respons geassocieerd met de rotatie van de gasmoleculen en, als zodanig, het kan gemakkelijk worden geregeld door de gasdruk te variëren (d.w.z. het aantal moleculen) in de vezel, " legt Dr. Riccardo Piccoli uit, die de experimenten leidde in het team van Razzari.

Zodra de straal wordt verbreed naar het infrarood, de onderzoekers filteren het outputspectrum om alleen de interesseband te behouden. Met deze aanpak, energie wordt overgebracht naar het nabij-infrarode spectrale bereik (met een efficiëntie vergelijkbaar met die van OPA's) in een puls die drie keer korter is dan de invoer, zonder ingewikkelde apparatuur of extra puls-post-compressiesysteem.

Een internationale samenwerking

Om het onderzoek af te ronden, de INRS-wetenschappers sloten zich aan bij Oostenrijkse en Russische collega's. "We hebben onze expertise gebundeld nadat we op een conferentie hadden ontdekt hoe vergelijkbaar de verschijnselen waren die onze twee groepen hadden waargenomen, ' zegt Razzari.

Het team van onderzoekers gevestigd in Wenen onder leiding van professor Andrius Baltuska en Dr. Paolo A. Carpeggiani had een complementaire strategie voor die van INRS. Ze gebruikten ook een met stikstof gevulde holle vezel, maar in plaats van het spectrum te filteren, ze comprimeerden het in de tijd met spiegels die in staat waren om de fase van de verbrede puls aan te passen. "In dit geval, de algehele verschuiving in het infrarood was minder extreem, maar de laatste puls was veel korter en intenser, perfect geschikt voor attoseconde en sterke veldfysica, " zegt dr. Carpeggiani.

Het in Moskou gevestigde team, onder leiding van professor Aleksei Zheltikov, gericht op het ontwikkelen van een theoretisch model om deze optische verschijnselen te verklaren. Door deze drie benaderingen te combineren, de onderzoekers waren in staat om de complexe onderliggende dynamiek volledig te begrijpen en niet alleen de extreme roodverschuiving te bereiken met behulp van stikstof, maar ook efficiënte pulscompressie in het infraroodbereik.

Het internationale team is van mening dat de methode heel goed kan voldoen aan de toenemende vraag naar ultrasnelle bronnen met lange golflengte in laser- en sterke veldtoepassingen, te beginnen met goedkopere afstembare systemen van industriële kwaliteit op basis van de opkomende ytterbium-lasertechnologie.