Ausnutzung dunkler autoionisierender Zustände zur Verbesserung von Extrem-Ultraviolett-Lasern

Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung der Professoren Tsuneyuki Ozaki und François Légaré am Institut national de la recherche scientifique (INRS) hat eine einzigartige Methode entwickelt, um die Leistung einer Laserquelle zu erhöhen, die extrem ultraviolette Lichtimpulse aussendet. Der zugrunde liegende Mechanismus des neu beobachteten Phänomens beinhaltet die einzigartige Rolle dunkel-autoionisierender Zustände durch Kopplung mit anderen relevanten elektronischen Zuständen.

Dank dieser Arbeit wird das Team in der Lage sein, die ultraschnelle Dynamik eines einzelnen dunklen autoionisierenden Zustands auf der Femtosekunden-Zeitskala zu untersuchen, was zuvor aufgrund seiner Unfähigkeit, Einzelphotonenemission oder -absorption zu durchlaufen, in Kombination mit deren ultrakurzen Lebensdauer unmöglich war Zustände.

Kürzlich in der Zeitschrift erschienen Briefe zur körperlichen Überprüfungermöglichen ihre Ergebnisse die Erzeugung von ultrakurzem extrem ultraviolettem Licht, das für fortschrittliche ultraschnelle wissenschaftliche Anwendungen wie winkelaufgelöste Photoemissionsspektroskopie und Photoemissionselektronenmikroskopie relevant ist.

Diese Arbeit wurde in Zusammenarbeit mit Professor Vasily Strelkov am Prokhorov General Physics Institute der Russischen Akademie der Wissenschaften, Russland, und Research Assistant Professor Muhammad Ashiq Fareed an der University of Nebraska-Lincoln, USA, durchgeführt.

Enträtseln der Mysterien der dunkel-autoionisierenden Zustände

In ihren Labors am Énergie Matériaux Télécommunications Research Centre haben die Professoren Tsuneyuki Ozaki und François Légaré zusammen mit Ph.D. Student Mangaljit Singh, haben spezielle Arten von elektronischen Zuständen ausgenutzt, die als dunkel-autoionisierende Zustände bekannt sind. Ihre Arbeit wurde mithilfe der Erzeugung von Harmonischen höherer Ordnung durchgeführt, einem optischen Phänomen, das für die Laserphysik unkonventionell ist.

„Die neu veröffentlichten Ergebnisse sind nicht nur ein Schritt nach vorne, um das Verhalten dunkler autoionisierender Zustände unter intensiven ultraschnellen Laser-Materie-Wechselwirkungen zu verstehen, sondern auch um intensive extrem ultraviolette Laserquellen aus groß angelegten Synchrotron- und Freie-Elektronen-Laseranlagen auf den Markt zu bringen mittelgroße Laserlabore“, sagt Ph.D. Student Mangaljit Singh, Erstautor der Studie.

Viele Einschränkungen, die durch die Grundlagen der Laserphysik auferlegt werden, schränken die meisten Laser ein, die in der Medizin, Kommunikation oder Industrie verwendet werden. Ebenso neigen sie dazu, nur im ultravioletten, sichtbaren (von violett bis rot) oder unsichtbaren nahen und mittleren Infrarot-Wellenlängenbereich zu arbeiten. Viele fortschrittliche wissenschaftliche Anwendungen erfordern jedoch, dass Laser bei kürzeren Wellenlängen im extremen Ultraviolettbereich arbeiten.

Die hochmodernen Systeme verwenden im Handel erhältliche primäre Laserquellen zur Erzeugung von Oberschwingungen höherer Ordnung aus Edelgasen, um sekundäre Quellen für kohärentes extrem ultraviolettes Licht zu entwickeln.

In dieser Studie verwendeten Singh und Kollegen anstelle von Edelgasen eine laserabgetragene Wolke (erhalten aus der Laserablation eines festen Materials) für die Erzeugung von Oberschwingungen höherer Ordnung synchron mit der einzigartigen Reaktion dunkel-autoionisierender Zustände.

Sie fanden heraus, dass unter bestimmten Resonanzbedingungen, die von den primären Laserparametern und der elektronischen Struktur der atomaren und ionischen Spezies in der laserabgetragenen Wolke bestimmt werden, die Umwandlungseffizienz und damit die Leistung der extrem ultravioletten Laserquelle um mehr als zehn erhöht wird mal. Dies impliziert, dass die gleiche Leistung im extremen Ultraviolett unter Verwendung eines Primärlasers mit einer Leistung erzielt werden kann, die ein Zehntel der Leistung beträgt, die für ein typisches Edelgas erforderlich ist.

Neben der Bereitstellung einer intensiven Extrem-Ultraviolett-Lichtquelle zeigt diese Studie auch zum ersten Mal die Möglichkeit, die Dynamik dunkler autoionisierender Zustände auf der Femtosekunden-Zeitskala unter Verwendung der Technik der Spektroskopie hoher Harmonischer zu untersuchen. Solche dunklen Zustände könnten die Grundlage mehrerer Quantentechnologien sein, insbesondere zur Verbesserung der Leistung von Quantencomputern.