Ett nytt sätt att skapa superkorta ljuspulser

Korta ljuspulser används bland annat för att filma kemiska reaktioner och följa elektroners rörelser. Nu har ett stort forskarlag, där fyra forskare från Lund ingår, demonstrerat ett nytt sätt att skapa korta ljuspulser genom att kontrollera kortvågigt ljus från en frielektronlaser. Resultaten presenteras i tidskriften Nature.

För att kunna skapa korta ljuspulser behöver ljus med många olika färger (våglängder) blandas. Synligt ljus, med alla färgerna från rött till violett, går idag att kontrollera med extremt god precision, och synliga ljuspulser går därför att forma nästan hur vi vill.

Men det går inte att skapa pulser som är kortare än tiden det tar för ljuset att svänga en gång. För att skapa kortare ljuspulser än vad som är möjligt med synligt ljus behövs alltså ljus med kortare våglängd, ultraviolett eller extrem-ultraviolett. Tyvärr saknas idag verktygen att kontrollera ljus i det här våglängdsområdet.

Varför behöver vi kontrollera de olika färgerna för att skapa korta pulser? 

Du har säkert egen erfarenhet av att blanda olika färger – gult och blått blir grönt, lägger du till lite rött så blir det brunt. Hur mycket du använder av varje färg påverkar också resultatet.

När vi adderar laserljus med olika våglängder får vi inte nya färger, utan istället ändras ljuspulsens tidsstuktur och vi får korta ljuspulser – om vi gör rätt. Hur mycket vi använder av varje färg är viktigt, men det är också viktigt att kontrollera exakt hur ljuset svänger – vi vill att alla färgerna svänger tillsammans, då säger vi att de svänger i fas.

För att få ljuset att svänga i fas behöver vi en dirigent, någon som styr hur ljuset svänger. När man lyssnar på en symfoniorkester som värmer upp utan dirigent låter det inte så trevligt, alla instrumenten spelar var för sig och summan blir inte en symfoni utan en kakofoni. När dirigenten kommer in stämmer alla instrumenten upp tillsammans och det låter fantastiskt. 

För första gången kan vi nu styra kortvågigt ljus på samma sätt som dirigenten styr orkestern! Vi skapar flera olika färger och har total kontroll över både deras styrka och deras fas, vilket gör att vi kan kontrollera hur ljuspulserna ser ut. Du kan själv prova på att vara ljusdirigent i simuleringsprogrammet här.

Ljuset som användes i experimentet genererades vid en frielektronlaser i Trieste, Italien, i ett stort samarbete lett av Giuseppe Sansone från Freiburg. Fram till nu har det bara gått att skapa reproducerbara femtosekundspulser (en femtosekund är tusen attosekunder) vid frielektronlasrar. Det nya experimentet visar att det är möjligt att förstärka flera olika färger och att kontrollen över dem är så bra att det går att skapa attosekundspulser med hög reproducerbarhet. 

Att så korta pulser nu blir tillgängliga med frielektronlasrar öppnar för en bättre inblick i mikrokosmos och kommer att påverka hur nya frielektronlasrar designas. Och vem vet, kanske är det dags att bygga en frielektronlaser även i Lund?

Artikeln i Nature av P M Kumar et al: Attosecond pulse shaping using a seeded Free Electron Laser

FAKTA | Attosekund

Ultrakorta ljuspulser behövs för att kunna följa och förstå vad som händer i elektronernas värld. För att se vad elektronerna hittar på i kemiska reaktioner behöver vi ljuspulser som är otroligt korta – attosekundspulser. En attosekund är 0,000 000 000 000 000 001 sekunder, eller för att uttrycka det annorlunda – en attosekund förhåller sig till en sekund på samma sätt som en sekund förhåller sig till dubbla universums ålder.

FAKTA |Frielektronlaser

Frielektronlasrar är stora anläggningar som accelererar elektroner för att skapa laserljus med korta våglängder. En frielektronlaser skapar ljuset genom att accelerera elektroner och sedan, med hjälp av magneter, tvinga dem att svänga fort fram och tillbaka. Det påminner om hur kortvågigt ljus skapas vid Max IV, men med frielektronlasern uppnås högre precision över hur elektronerna svänger, vilket leder till både bättre kontroll på ljuset och högre intensitet.