Aarhus University Seal / Aarhus Universitets segl

Few-Cycle Mid-Infrared Pulses

Stærkfelts-fysik oplever i øjeblikket et skift mod midt-infrarøde ultrakorte laser ionisationskilder. Disse nye lasere har mange fordele sammenlignet med de traditionelle Ti:Sa 800nm laser kilder, og i Femtolab genkendte vi de mange nye muligheder en sådan laser ville åbne for, og det indledende mål for Rasmus Johansens PhD var derfor at opbygge netop sådan en laser kilde. 

Nogle af fordelene ved disse nye kilder kan forklares ved at se på et molekyle der ioniseres af en meget intens laser. Er laseren intens nok, kan man ikke længere se ionisationen som et resultat af absorption af et bestemt antal fotoner, men det skal i stedet ses som at potentialet der binder elektronerne bliver så forvrænget af det stærke felt at elektronerne er i stand til at tunnelere til det fri kontinuum.   Denne måde at tænke på ionisation er kun gyldig for et felt der er tilpas intense, men også tilpas langsomt oscillerende. Derfor går man mod infrarøde (langsomt oscillerende) og korte (meget intense) laser kilder.

Hovedmålet med denne nye kilde er at producerer en ”Molekyler film”. Dette er meget besværligt da det både kræver at man både kan rummeligt opløse atomerne i molekylets bevægelse, hvilket foregå på Ångstrøms skalaen, og samtidig tidsligt opløse deres bevægelse, hvilket foregår på femtosekund skalaen.

Vi tror løsningen er gemt i en metode der kaldes Laser Introduceret Elektron Diffraktion (LIED). Ideen er at tunnel ionisere et alignet molekyle man ønsker at undersøge med denne nye laser kilde. Den tunnelerende elektron befinder sig efter at være ioniseret i det stærke elektriske felt fra laseren og vil derfor blive accelereret væk fra moder molekylet. Feltet vil vende på et tidspunkt bestemt af center bølgelængden hvorefter elektronen vil accelereres tilbage mod moder molekylet. Energien der tilføjes til elektronen er stærkt afhængig af centerbølgelængden og stiger med stigende centerbølgelængde. For vores midt IR pulser forventer vi at energien er høj nok til at de-Broglie bølgelængden for elektronen bliver mindre end afstanden mellem atomerne i molekylet. Elektronen vil derfor sprede på molekylet og danne et diffraktions mønster. Fra dette diffraktions mønster kan afstanden mellem atomerne udregnes, og dette giver den rummelig opløsning.

Den tidslige opløsning kommer ved at ændre centerbølgelængden lidt. Det ændrer direkte tiden mellem at molekylet ioniseres og elektronen genspreder på molekylet, og man får derfor et billede til et senere/tidligere tidspunkt. Dette gøres så i flere skridt indtil den molekylære film er komplet.

 

Figure 1: Picture taken in the laboratory of a part of the setup.

Billedet viser en gasfyldt fiber der bruges til at udvide pulsspektrene. Dette er nødvendigt inden pulserne kan komprimeres midlertidigt inden for few-cycle grænsen. Pulsens centerbølgelængde ligger i midt-IR feltet og burde derfor ikke kunne ses med det blotte øje, men alligevel ses det som klart hvidt. Dette er et direkte bevis på det ekstreme bredbåndsspekter, der rækker helt ind i det synlige område.