Sfruttare gli stati autoionizzante oscuri per potenziare i laser ultravioletti estremi

30 marzo 2023

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a cura dell'Istituto Nazionale di Ricerca Scientifica - INRS

Un gruppo di ricerca internazionale guidato dai professori Tsuneyuki Ozaki e François Légaré presso l’Institut national de la recherche scientifique (INRS), ha sviluppato un metodo unico per migliorare la potenza di una sorgente laser che emette impulsi di luce ultravioletta estrema. Il meccanismo alla base del fenomeno appena osservato coinvolge il ruolo unico degli stati autoionizzante oscuro attraverso l’accoppiamento con altri stati elettronici pertinenti.

Grazie a questo lavoro, il team sarà in grado di studiare la dinamica ultraveloce di un singolo stato autoionizzante oscuro nella scala temporale dei femtosecondi, cosa che prima era impossibile a causa della sua incapacità di subire emissione o assorbimento di un singolo fotone, combinata con la vita ultrabreve di questi stati.

Recentemente pubblicati sulla rivista Physical Review Letters, i loro risultati consentono la generazione di luce ultravioletta estrema ultraveloce, rilevante per applicazioni scientifiche ultraveloci avanzate come la spettroscopia di fotoemissione risolta in angolo e la microscopia elettronica a fotoemissione.

Questo lavoro è stato svolto in collaborazione con il professor Vasily Strelkov presso l’Istituto di fisica generale Prokhorov dell’Accademia russa delle scienze, Russia, e il professore assistente di ricerca Muhammad Ashiq Fareed presso l’Università del Nebraska-Lincoln, USA.

Nei loro laboratori presso il Centro di ricerca Énergie Matériaux Télécommunications, i professori Tsuneyuki Ozaki e François Légaré, insieme al Ph.D. studente Mangaljit Singh, hanno sfruttato tipi speciali di stati elettronici, noti come stati autoionizzati oscuri. Il loro lavoro è stato realizzato utilizzando la generazione armonica di ordine elevato, un fenomeno ottico non convenzionale per la fisica del laser.

"I risultati appena pubblicati rappresentano un passo avanti non solo nella comprensione del comportamento degli stati oscuri autoionizzante sotto intense interazioni laser-materia ultraveloci, ma anche nel portare intense sorgenti laser nell'ultravioletto estremo da impianti laser di sincrotrone e a elettroni liberi su larga scala. laboratori laser di dimensioni moderate", afferma il Ph.D. studente Mangaljit Singh, primo autore dello studio.

Molte limitazioni imposte dai fondamenti della fisica del laser limitano la maggior parte dei laser utilizzati in medicina, nelle comunicazioni o nell’industria. Allo stesso modo, tendono a funzionare solo nella gamma di lunghezze d'onda dell'ultravioletto, del visibile (dal viola al rosso) o dell'invisibile vicino e medio infrarosso. Tuttavia, molte applicazioni scientifiche avanzate richiedono che i laser funzionino a lunghezze d’onda più corte nella gamma dell’ultravioletto estremo.

I sistemi all'avanguardia impiegano sorgenti laser primarie disponibili in commercio per la generazione di armoniche di ordine elevato da gas nobili per sviluppare fonti secondarie di luce ultravioletta estrema coerente.

In questo studio, invece dei gas nobili, Singh e colleghi hanno utilizzato un pennacchio ablato al laser (ottenuto dall’ablazione laser di un materiale solido) per la generazione armonica di ordine elevato in sincronia con la risposta unica degli stati autoionizzante oscuri.

Hanno scoperto che in determinate condizioni di risonanza governate dai parametri laser primari e dalla struttura elettronica delle specie atomiche e ioniche nel pennacchio sottoposto ad ablazione laser, l’efficienza di conversione, e quindi la potenza della sorgente laser ultravioletta estrema, è aumentata di oltre dieci volte. Ciò implica che la stessa potenza ultravioletta estrema può essere ottenuta utilizzando un laser primario con una potenza pari a un decimo della potenza richiesta per un tipico gas nobile.