Een internationaal team van onderzoekers heeft een nieuw concept gedemonstreerd voor het genereren van intense extreem-ultraviolette (XUV) straling door high-harmonic generation (HHG). Het voordeel ligt in het feit dat de voetafdruk veel kleiner is dan de huidige bestaande intense XUV-lasers. Het nieuwe schema is eenvoudig en zou in veel laboratoria over de hele wereld kunnen worden geïmplementeerd, wat het onderzoeksgebied van ultrasnelle XUV-wetenschap kan stimuleren. De gedetailleerde experimentele en theoretische resultaten zijn gepubliceerd in optiek .

De uitvinding van de laser heeft het tijdperk van niet-lineaire optica geopend, die tegenwoordig een belangrijke rol speelt in veel wetenschappelijke, industriële en medische toepassingen. Deze toepassingen profiteren allemaal van de beschikbaarheid van compacte lasers in het zichtbare bereik van het elektromagnetische spectrum. De situatie is anders bij XUV-golflengten, waar zeer grote faciliteiten (zogenaamde vrije-elektronenlasers) zijn gebouwd om intense XUV-pulsen te genereren. Een voorbeeld hiervan is FLASH in Hamburg, dat zich over enkele honderden meters uitstrekt. Er zijn ook kleinere intense XUV-bronnen ontwikkeld op basis van HHG. Echter, deze bronnen hebben nog een voetafdruk van tientallen meters, en zijn tot nu toe slechts bij enkele universiteiten en onderzoeksinstituten wereldwijd aangetoond.

Een team van onderzoekers van het Max Born Institute (Berlijn, Duitsland), ELI-ALPEN (Szeged, Hongarije) en INCDTIM (Cluj-Napoca, Roemenië) heeft onlangs een nieuw schema ontwikkeld voor het genereren van intense XUV-pulsen. Hun concept is gebaseerd op HHG, die berust op het focussen van een nabij-infrarood (NIR) laserpuls in een gasdoel. Als resultaat, zeer korte lichtflitsen met frequenties die harmonischen zijn van de NIR-aandrijflaser worden uitgezonden, die zich daardoor typisch in het XUV-gebied bevinden. Om intense XUV-pulsen te kunnen verkrijgen, het is belangrijk om zoveel mogelijk XUV-licht te genereren. Dit wordt meestal bereikt door een zeer grote focus van de NIR-aandrijflaser te genereren, waarvoor een groot laboratorium nodig is.

Wetenschappers van het Max Born Institute hebben aangetoond dat het mogelijk is om een ​​intense XUV-laser te verkleinen door een opstelling te gebruiken die zich over een lengte van slechts twee meter uitstrekt. Om dit te kunnen doen, ze gebruikten de volgende truc:in plaats van XUV-licht te genereren in het brandpunt van de NIR-aandrijflaser, ze plaatsten een zeer dichte straal van atomen relatief ver weg van de NIR-laserfocus, zoals weergegeven in Fig. 1. Dit heeft twee belangrijke voordelen:(1) Aangezien de NIR-straal ter plaatse van de jet groot is, veel XUV-fotonen worden gegenereerd. (2) De gegenereerde XUV-straal is groot en heeft een grote divergentie, en kan daarom worden scherpgesteld tot een kleine spotgrootte. Het grote aantal XUV-fotonen in combinatie met de kleine XUV-spotgrootte maakt het mogelijk om intense XUV-laserpulsen te genereren. Deze resultaten werden bevestigd door computersimulaties die werden uitgevoerd door een team van onderzoekers van ELI-ALPS en INCDTIM.

Om aan te tonen dat de gegenereerde XUV-pulsen erg intens zijn, de wetenschappers bestudeerden multi-foton-ionisatie van argonatomen. Ze waren in staat om deze atomen te vermenigvuldigen, wat leidt tot ionenladingtoestanden van Ar ₂ ⁺ en Ar ₃ ⁺ . Dit vereist de absorptie van ten minste twee en vier XUV-fotonen, respectievelijk. Ondanks de kleine voetafdruk van deze intense XUV-bron, de verkregen XUV-intensiteit van 2 x 10 ¹⁴ W/cm ² overtreft die van vele reeds bestaande intense XUV-bronnen.

Het nieuwe concept kan wereldwijd in vele laboratoria worden geïmplementeerd, en verschillende onderzoeksgebieden kunnen hiervan profiteren. Dit omvat attoseconde-pomp attoseconde-sonde spectroscopie, wat tot nu toe buitengewoon moeilijk was om te doen. De nieuwe compacte intense XUV-laser zou de stabiliteitsbeperkingen kunnen overwinnen die binnen deze techniek bestaan, en zou kunnen worden gebruikt om elektronendynamica op extreem korte tijdschalen te observeren. Een ander gebied dat naar verwachting zal profiteren, is de beeldvorming van objecten op nanoschaal, zoals biomoleculen. Dit zou de mogelijkheden voor het maken van films in de nanokosmos op femtoseconde of zelfs attoseconde tijdschalen kunnen verbeteren.