Onderzoekers van het Max Born Instituut voor niet-lineaire optica en korte pulsspectroscopie (MBI) hebben een nieuwe methode ontwikkeld om de spectrale breedte van extreem-ultraviolet (XUV) licht te wijzigen. Door gebruik te maken van een nieuw fase-afstemmingsschema bij het mengen met vier golven, ze konden de spectrale breedte van het aanvankelijke breedbandlicht meer dan honderd keer comprimeren. De gedetailleerde experimentele en theoretische resultaten zijn gepubliceerd in Natuurfotonica .

Licht, zoals uitgestraald door de zon, bestaat uit vele golflengten en verschijnt meestal als wit. Soms, echter, alleen bepaalde kleuren bereiken onze ogen, wat leidt tot verbluffende fenomenen als een nagloeiing. Voor technische of wetenschappelijke toepassingen die een specifieke kleur vereisen, roosters en prisma's kunnen worden gebruikt om deze kleur uit het witte licht te halen. Echter, het grootste deel van het invallende licht gaat tijdens dit proces verloren, en de lichtintensiteit bij de uitgang is erg laag.

Niet-lineaire optische technieken hebben het mogelijk gemaakt om de kleur van licht te veranderen en de spectrale bandbreedte ervan aan te passen zonder afbreuk te doen aan de intensiteit. Zoals geïllustreerd in Fig. 1, hierdoor kan licht met een specifieke kleur worden gegenereerd uit breedbandlicht (zoals wit licht) of omgekeerd. Deze technieken worden veel toegepast in spectroscopie, in beeld brengen, en voor het genereren van ultrakorte laserpulsen. Echter, niet-lineaire optische technieken zijn niet direct beschikbaar in het XUV-gebied van het elektromagnetische spectrum. Deze regio is in toenemende mate interessant voor verschillende toepassingen, inclusief attoseconde wetenschap en EUV-lithografie.

Een team van onderzoekers van het Max Born Institute heeft onlangs een nieuw concept gedemonstreerd om smalbandige laserpulsen in het XUV-bereik te genereren. Ze combineerden breedband wit licht in het zichtbare gebied met licht met een breed spectrum in het vacuüm-ultraviolet (VUV) gebied. Nadat deze beide lichtpulsen zich gelijktijdig door een dichte straal van krypton-atomen hadden voortgeplant, een nieuwe laserpuls in het XUV-bereik werd gegenereerd. Opmerkelijk, de spectrale breedte van de nieuwe XUV-puls was meer dan honderd keer smaller in vergelijking met de aanvankelijke zichtbare en VUV-pulsen.

De wetenschappers gebruikten een schema dat bekend staat als vier-golfmenging, waarbij één krypton-atoom twee zichtbare fotonen en één VUV-foton absorbeert, wat leidt tot de emissie van één XUV-foton. Door energiebesparing, het uitgezonden XUV-foton moet een frequentie hebben die gelijk is aan de som van de frequenties van alle drie de geabsorbeerde fotonen. Tegelijkertijd, dankzij behoud van impuls, de snelheid van de inkomende lichtgolf moet overeenkomen met de snelheid van de uitgaande golf in het mengmedium. Deze snelheid verandert zeer snel in de buurt van een atomaire resonantie.

Om de smalband XUV-laserband te genereren, de onderzoekers kozen een VUV-spectraal bereik vrij ver weg van elke resonantie en een doel-XUV-bereik tussen twee resonanties. Daarbij, ze waren in staat om de snelheden van een breed bereik van inkomende golflengten te matchen met een smal gebied van uitgaande golflengten. In afb. 2, aan de linkerkant, absorptie in de VUV over een breed spectraal bereik (blauw gebied) wordt aangegeven. De rode gestippelde curve geeft de frequentieafhankelijke brekingsindex aan, dat is een maat voor de lichtsnelheid. Aan de rechterkant, een smal spectraal gebied in het XUV-bereik (violet gebied) wordt getoond. In deze regio's, het licht reist ongeveer met dezelfde snelheid, d.w.z., met een vergelijkbare brekingsindex. Deze snelheden kunnen worden geëvenaard door de bijna horizontale pijlen die de fotonen in het zichtbare spectrum aangeven. De afbeelding laat zien dat dit het mogelijk maakt om een ​​breedband VUV-spectrum met een relatief vlakke golflengte-snelheidsafhankelijkheid om te zetten in een smalbandige XUV-puls, waarbij de golflengte-snelheidsafhankelijkheid bijna verticaal is.

Het genereren van smalband XUV-pulsen is interessant voor toepassingen zoals elektronenspectroscopie, het onderzoek van resonante overgangen, en de coherente diffractieve beeldvorming van structuren op nanoschaal. In de toekomst, de nieuwe methode zou ook in de tegenovergestelde richting kunnen worden gebruikt, d.w.z., om XUV-pulsen spectraal te verbreden, wat kan resulteren in het genereren van zeer korte XUV-pulsen van bronnen zoals vrije-elektronenlasers en zachte-röntgenlasers.