Nutzung dunkler autoionisierender Zustände zur Verbesserung extrem ultravioletter Laser

30. März 2023

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vom National Institute for Scientific Research – INRS

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 steigern, die extrem ultraviolette Lichtimpulse aussendet. Der zugrunde liegende Mechanismus des neu beobachteten Phänomens beinhaltet die einzigartige Rolle dunkelautoionisierender 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 bisher aufgrund seiner Unfähigkeit zur Einzelphotonenemission oder -absorption in Kombination mit der ultrakurzen Lebensdauer dieser Zustände unmöglich war Zustände.

Ihre kürzlich in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlichten Ergebnisse ermöglichen die Erzeugung von ultraschnellem extrem ultraviolettem Licht, das für fortgeschrittene 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.

In ihren Laboren im Forschungszentrum Énergie Matériaux Télécommunications arbeiten die Professoren Tsuneyuki Ozaki und François Légaré zusammen mit Ph.D. Der Student Mangaljit Singh hat spezielle Arten elektronischer Zustände ausgenutzt, die als dunkelautoionisierende Zustände bekannt sind. Ihre Arbeit wurde mithilfe der Erzeugung harmonischer Oberwellen höherer Ordnung durchgeführt, einem optischen Phänomen, das für die Laserphysik unkonventionell ist.

„Die neu veröffentlichten Ergebnisse sind nicht nur ein Fortschritt beim Verständnis des Verhaltens dunkler autoionisierender Zustände unter intensiven ultraschnellen Laser-Materie-Wechselwirkungen, sondern auch bei der Bereitstellung intensiver extrem-ultravioletter Laserquellen aus großen Synchrotron- und Freie-Elektronen-Laseranlagen mittelgroße Laserlabore“, sagt Ph.D. Student Mangaljit Singh, Erstautor der Studie.

Viele durch die Grundlagen der Laserphysik auferlegte Einschränkungen schränken die meisten Laser ein, die in der Medizin, Kommunikation oder Industrie eingesetzt werden. Ebenso neigen sie dazu, nur im ultravioletten, sichtbaren (von Violett bis Rot) oder unsichtbaren nahen und mittleren Infrarot-Wellenlängenbereich zu arbeiten. Viele fortgeschrittene wissenschaftliche Anwendungen erfordern jedoch den Betrieb von Lasern bei kürzeren Wellenlängen im extrem ultravioletten Bereich.

Die hochmodernen Systeme nutzen kommerziell erhältliche primäre Laserquellen zur Erzeugung harmonischer Oberwellen aus Edelgasen, um sekundäre Quellen für kohärentes extrem ultraviolettes Licht zu entwickeln.

In dieser Studie verwendeten Singh und Kollegen anstelle von Edelgasen eine laserablatierte Wolke (erhalten durch Laserablation eines festen Materials) für die Erzeugung von Harmonischen höherer Ordnung synchron mit der einzigartigen Reaktion dunkelautoionisierender Zustände.

Sie fanden heraus, dass unter bestimmten Resonanzbedingungen, die von den primären Laserparametern und der elektronischen Struktur der Atom- und Ionenspezies in der laserablatierten Wolke bestimmt werden, die Umwandlungseffizienz und damit die Leistung der extrem ultravioletten Laserquelle um mehr als zehn erhöht wird mal. Dies bedeutet, dass die gleiche extreme Ultraviolettleistung mit einem Primärlaser erreicht werden kann, dessen Leistung ein Zehntel der Leistung beträgt, die für ein typisches Edelgas erforderlich ist.

Neben der Bereitstellung einer intensiven extrem ultravioletten Lichtquelle zeigt diese Studie auch zum ersten Mal die Aussicht auf, die Dynamik dunkler autoionisierender Zustände auf der Femtosekunden-Zeitskala mithilfe der Technik der hochharmonischen Spektroskopie zu untersuchen. Solche dunklen Zustände könnten die Grundlage mehrerer Quantentechnologien sein, insbesondere zur Verbesserung der Leistung von Quantenberechnungen.

Mehr Informationen: Mangaljit Singh et al., Ultrafast Resonant State Formation by the Coupling of Rydberg and Dark Autoionizing States, Physical Review Letters (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.073201

Zeitschrifteninformationen:Briefe zur körperlichen Untersuchung

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