Alors que les scientifiques sondent la nature de plus en plus précisément avec des impulsions laser, visant maintenant le régime zeptoseconde - un trillionième de milliardième de seconde et l'échelle de temps la plus rapide mesurée - l'optimisation de chaque paramètre de ces impulsions peut offrir des mesures plus fines de propriétés dynamiques encore inconnues. La longueur d'onde laser, durée et énergie de chaque impulsion, et la vitesse à laquelle les impulsions sont produites sont tous des facteurs clés dans l'observation de dynamiques telles que les mouvements d'électrons en temps réel de molécules simples ainsi que le mouvement d'atomes consistants.

Longue longueur d'onde (infrarouge), les impulsions de haute énergie produites des centaines de milliers de fois par seconde sont encore très difficiles à produire. Ce sont des conditions nécessaires, cependant, pour créer un rayonnement de rayons X avec suffisamment d'énergie pour surmonter les interactions de l'eau qui limitent actuellement l'utilisation de la microscopie à rayons X des spécimens vivants.

Une collaboration de recherche européenne entre l'Institut des sciences photoniques (ICFO), Espagne, et l'Institut Max Planck pour la science de la lumière (MPL), Allemagne, rapporte maintenant le développement d'une telle source, produisant des impulsions de 9,6 watts dans l'infrarouge moyen (mi-IR), à un taux de répétition de 160 kilohertz, en utilisant ensemble une géométrie de fibre innovante et un amplificateur paramétrique.

Chaque impulsion consiste en un seul cycle de l'onde optique générée à partir d'un gaz rempli, fibre à cristal photonique à âme creuse ne nécessitant pas de compression externe, un traitement de signal externe que d'autres systèmes nécessitent généralement pour produire de telles impulsions propres. Les résultats de cette recherche seront présentés lors de l'OSA Laser Congress, 1-5 octobre 2017 à Nagoya, Japon.

"L'importance de notre travail est la réalisation de la génération d'impulsions à la limite physique ultime d'une oscillation du champ électrique dans le milieu de l'IR, et avec une puissance sans précédent, " dit Ugaitz Elu, doctorant à ICFO et membre de l'équipe de recherche. "Le champ électrique est reproductible, stable de phase porteuse à enveloppe, et l'application à la physique des champs forts et à la génération d'harmoniques élevées devrait conduire aux premières formes d'onde isolées dans la gamme des rayons X durs et de la zeptoseconde. »

Une partie vitale de la production d'impulsions aussi courtes implique leur élargissement et leur compression précise. Afin de bien chevaucher le spectre des fréquences, l'équipe a travaillé pour produire l'onde d'impulsion optique finale.

Miroirs grésillants, qui se composent de plusieurs revêtements empilés pour refléter chaque partie des spectres séparément, sont souvent utilisés dans les systèmes laser à fibre pour obtenir cette compression extérieurement après élargissement dans le noyau rempli de gaz de la fibre. Dans la région du moyen IR, cependant, la fibre absorberait l'énergie des impulsions avant de réaliser tout type d'élargissement spectral et la détruirait. La géométrie mise en œuvre par Elu et ses collaborateurs saute complètement cette utilisation de miroirs chirps, et réalise à la fois l'élargissement et la compression dans la fibre.

"Ici, nous avons utilisé une fibre à bande interdite photonique spécialement conçue dont la géométrie évite une telle absorption, " a déclaré Elu. " Nous pouvons obtenir un élargissement et une compression dans la même fibre sans aucun miroir modulé. "

Les régimes d'énergie et de temps que démontre cette configuration de table optique permettent un large éventail d'applications, notamment celles issues des rayons X durs cohérents qu'elles rendent réalisables.

Avoir un outil pour capturer la dynamique avec une telle précision ouvrirait une fenêtre pour regarder, en temps réel, les processus subatomiques des électrons absorbant et émettant de l'énergie lors de réactions chimiques. "Notre système est incroyablement polyvalent, " dit Elu. " Par exemple, nous l'utilisons pour l'auto-diffraction des électrons avec laquelle nous pourrions résoudre tous les atomes d'une molécule alors qu'une de ses liaisons se brisait."