획기적인 방법으로 초단파 고출력 레이저 펄스 생성

• 과학자들은 광학 파라메트릭 증폭기를 사용하여 파동 주기보다 짧은 펄스를 생성합니다. 
• 원자 내에서 전자가 어떻게 움직이는지 관찰하는 데 사용할 수 있습니다. 

지난 몇 년 동안 고에너지, 소수 주기의 중적외선 펄스는 2D 적외선 분광학, 펨토초 미만의 전자 방출, 화합물의 시간 분해 이미징, 간섭성 연 X선 및 비간섭성 하드 X선 생성을 비롯한 수많은 응용 분야로 인해 많은 관심을 끌었습니다.

최근 A*STAR(과학, 기술 및 연구 기관) 싱가포르 제조 기술 연구소의 과학자들은 파동 주기보다 짧은 적외선 펄스를 생성하는 레이저 합성기를 구축했습니다.

이를 통해 연구자들은 원자 내부의 전자 움직임을 연구할 수 있습니다. 이러한 극초단 펄스의 파장은 중적외선 범위에 속하므로 다양한 원자 및 분자에 쉽게 흡수됩니다.

새로운 레이저 합성기

원자 내에서 전자는 펨토초(10~15초) 또는 아토초(10~18초) 단위로 한 에너지 밴드에서 다른 에너지 밴드로 이동합니다. 이러한 예외적인 시간 규모로 인해 과학자들은 그러한 사건을 관찰하고 분석하기 위해 고출력, 초단거리 레이저 펄스가 필요합니다.

이를 생산하는 한 가지 방법은 비선형 결정을 매우 짧고 강렬한 적외선 펄스에 노출시키는 것입니다. 그러나 팀은 전통적인 방법론을 구현했을 뿐만 아니라 짧은 중적외선 펄스를 생성하는 방식을 개선했습니다.

파동주기보다 짧은 펄스를 생성하려면 넓은 스펙트럼 대역폭이 필요합니다. 이전 연구에서는 플러스와 여러 스펙트럼 범위를 결합하여 매우 어렵고 복잡한 작업인 큰 대역폭을 달성했습니다. 다양한 소음 제어 장비를 사용하여 개별 플러스의 상대적인 진폭과 위상을 정밀하게 제어해야 합니다.

일을 매우 간단하게 만들기 위해 과학자들은 가변 파장의 두 개의 레이저 펄스를 방출하는 광원인 광학 파라메트릭 증폭기라는 장치를 사용했습니다. 이 두 펄스의 위상과 진폭은 서로 상대적으로 구성될 수 있습니다.

참고자료:네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) | doi:10.1038/s41467-017-00193-4

그들이 개발한 증폭기는 매우 짧은 시간 지연으로 펄스를 방출하므로 추가적인 잡음 제어 시스템이 필요 없이 넓은 대역폭의 펄스로 병합됩니다. 상쇄 간섭은 가장자리에서 펄스를 자르고, 보강 간섭은 중심에서 발생하기 때문에 최종 펄스를 파동 주기보다 더 짧게 만드는 것이 가능합니다.

이미지 출처:비엔나 공과대학교

이러한 극초단 펄스가 특정 고체 물질에 전달되면 고자외선 영역에서 고에너지 광자의 방출이 유발됩니다. 이러한 고에너지 광자는 아토초 단위의 시간 단위로 발생하는 원자 내부에서 진행되는 프로세스를 조사하는 데 추가로 사용될 수 있습니다.

이 연구에서 연구원들은 중적외선 펄스를 사용하여 얇은 실리콘 시트에서 고에너지 광자를 생성했습니다. 보다 구체적으로 그들은 2.5~9.0 마이크로미터의 대역폭을 포괄하는 고에너지, 중적외선 펄스 합성기를 시연하고 얇은 실리콘 샘플에서 고조파 생성을 유도하여 고체에서 분리된 강한 장 상호작용을 보여주었습니다. 합성된 펄스 폭은 약 12.4펨토초로 관찰되었으며, 이는 약 4.2마이크로미터에서 0.88 광학 주기에 해당합니다.

다음은 무엇인가요?

다음 연구에서 팀은 다른 물질로부터 분리된 전자 펄스를 생성하여 원자 내에서 훨씬 더 빠른 프로세스를 검사할 수 있게 될 것입니다.

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더욱이, 펌프 레이저 기술의 발전은 잠재적으로 중적외선 하위 주기 소스를 피크 출력 쪽으로 밀어 가스 매체에서 높은 필드 상호 작용을 유도할 수 있습니다.