Шведские ученые в сотрудничестве с коллегами из Франции и США разработали метод получения последовательности аттосекундных импульсов с длительностью практически в один период колебаний электромагнитного поля, которым могут воспользоваться множество лабораторий мира.

На пороге нового тысячелетия была разработана техника генерации импульсов электромагнитного излучения предельно малой длительности - аттосекундных импульсов (1 ас = 10^-18 c). Метод, используемый для получения сверхкоротких импульсов, состоит в следующем: часть энергии мощных оптических (обычно - ближнего ИК-диапозона) фемтосекундных импульсов при воздействии на газовую мишень преобразуется в более коротковолновое излучение за счет сверхбыстрых нелинейных оптических эффектов (происходит генерация высоких гармоник - излучения с частотой, кратной частоте начального импульса). Подробнее о методах генерации ультракоротких импульсов электромагнитного излучения и их использовании можно прочесть в заметке "Первые шаги аттофизики", а также в новости "Молекулярная орбиталь как она есть"

Рис.1. Принцип генерации последовательности аттосекундных импульсов: верхний ряд - схематическое изображение метода генерации аттосекундных импульсов (a), их сжатия, фильтрации и фазового согласования (b), а также получаемая на выходе экспериментальной установки последовательность аттосекундных импульсов (c); средний ряд - спектр излучения на каждом из этапов эксперимента; нижний ряд - форма импульсов на каждом этапе эксперимента.

Как обычно, после разработки новой исследовательской методики встает задача сделать ее доступной для широкого круга научных лабораторий. Шведские ученые в сотрудничестве с коллегами из других стран продемонстировали достаточно простой способ, с помощью которого можно получить последовательность аттосекундных импульсов длительностью 170 ас, что лишь немного превышает один оптический период для центральной гармоники, соответствующей энергии фотона 30 эВ [1].

Генерация коротковолнового излучения происходила при воздействии сфокусированных импульсов фемтосекундного излучения (ученые использовали титан-сапфировый лазер, длина волны излучения - 800 нм, длительность импульса - 40 фемтосекунд, энергия в импульсе - 1 мДж) на аргон, находящийся в специальной ячейке (давление газа 15 мбар) - рис.1a, верхний ряд. При этом происходила генерация широкого спектра электромагнитного излучения - от ближнего ультрафиолета до мягкого рентгена - рис.1a, средний ряд. Хотя энергия высокоэнергетичных гармоник такова, что в принципе позволяет достигнуть длительности импульсов в 100 - 200 ас, изначально генерируется последовательность существенно более длинных импульсов - рис 1a, нижний ряд. Соответственно, необходимо принимать специальные меры, направленные на сжатие импульсов - вырезание достаточно высокоэнергетичной части спектра и манипуляции с ней, направленные на фазовое согласование выбранных гармоник.

Методы, позволяющие осуществлять компрессию импульсов фемтосекундного излучения, хорошо известны и продолжают постоянно совершенствоваться (см. нашу новость "Самосжатие ультракоротких оптических импульсов"), методы же работы с аттосекундным излучением пока находятся в стадии разработки (требуемая гармоника выделяется из широкого спектра высокочастотного излучения с помощью наборов фильтров или многослойных зеркал). Шведские ученые использовали для этой цели самые простые элементы - тонкую алюминиевую фольгу (толщиной сотни нанометров) и ирисовую диафрагму.

При прохождении излучения сквозь тонкую алюминиевую фольгу происходило "отрезание" низкочастотной части спектра (рис.1b), что позволяло получить импульс излучения шириной примерно 30 эВ с энергией максимумом спректральной интенсивности в районе 30 эВ. Помимо того, металлическая фольга играла и другую важную роль. В процессе генерации высокочастотного излучения при столкновении электрона с "родительским" ионом первыми генерируются более низкочастотные гармоники, а потом - высокочастотные, поэтому для сжатия импульсов необходимо произвести синхронизацию гармоник. Для диапазона энергий от 17 до 27 гармоники, в алюминии менее высокочастотное излучение распространяется медленнее, а более высокочастотное - быстрее, что позволяет, за счет подбора толщины фольги, синхронизировать гармоники. После прохождения тонкой алюминиевой фольги происходила пространственная фильтрация - излучение проходило через ирисовую диафрагму, что позволяло еще более сильно "укоротить" импульсы (рис.1c).

Рис.2. Форма генерируемых импульсов в отсутствии алюминиевой фольги (зеленая линия), при сипользовании одного (синяя линия) и трех (красная линия) алюминиевых фильтров толщиной 200 нм (штриховой линией показан предельно короткий импульс излучения с частотой 7 ПГц).

Проведенные измерения показали, что после подобных простейших манипуляций удается получить последовательность импульсов длительностью в 170 ас (рис.2), что лишь немного больше, чем предельно малая достижимая длительность импульса для центральной гармоники, соответствующей энергии 30 эВ. Удобство данной методики состоит в том, что для генерации ультракоротких импульмов используется доступная многим лабораториям мира техника - имеющийся на рынке фемтосекундный лазер, а также столь простые и доступные элементы, как алюминиевая фольга и ирисовая диафрагма. Подобная простая в технологическом отношении методика может быть применена и для генерации еще более коротких импульсов.

1. Rodrigo Lopez-Martens, Per Johnsson, Katalin Varju, Johan Mauritsson, Yann Mairesse, Pascal Salieres, Mette B.Gaarde, Kenneth J.Schafer, Andres Persson, Sune Svanberg, Claes-Goeran Wahstroem, and Anne L'Huiller. Phys.Rev.Lett, v.94, 033001 (2005).

Е.Онищенко