Attosegundos en ELI ALPS: Explorando el mundo ultrafast

El estudio de los procesos que ocurren en escalas de tiempo de attosegundos utilizando pulsos de ultravioleta extremo (XUV) está a la vanguardia de la ciencia ultrarrápida. Estos pulsos XUV, producidos mediante generación de armónicos de alto orden (HHG) a partir de la interacción láser-materia intensa, demuestran una resolución temporal sin precedentes en la observación e influencia de la dinámica electrónica. Estos pulsos permiten explorar el control coherente de paquetes de ondas, la espectroscopia ultrarrápida de materiales cuánticos y el sondeo en tiempo real de sistemas moleculares, la dinámica de transferencia de carga en sistemas químicos y biológicamente relevantes e incluso la investigación de los procesos más rápidos en plasmas relativistas. Estos estudios exigen pulsos energéticos a altas tasas de repetición para mejorar la relación señal-ruido y proporcionar estadísticas adecuadas.  

La instalación de Extreme Light Infrastructure, Attosecond Light Pulse Source (ELI ALPS) está a la vanguardia en el suministro de herramientas de vanguardia para la investigación en estos campos. El diseño de líneas de haz XUV de attosegundos a alta tasa de repetición presenta sus propios desafíos. Este trabajo presenta la justificación del diseño, las capacidades y las aplicaciones de las líneas de haz XUV de attosegundos de alta tasa de repetición (1 kHz – 100 kHz) basadas en plasma y gas desarrolladas en ELI ALPS, haciendo hincapié en su potencial para avanzar en la investigación multidisciplinaria de fenómenos ultrarrápidos.

La generación de pulsos XUV en ELI ALPS utiliza pulsos ultracortos de múltiples sistemas láser que interactúan con varios estados de la materia. El proceso de generación de XUV se puede clasificar ampliamente en dos categorías, a saber, volumen y superficie. En el HHG de volumen, la interacción láser ocurre con gases en el régimen de campo fuerte (intensidad ~ 10^12-14 W/cm²) lo que da como resultado la ionización por túnel y la posterior recombinación de fase emparejada del electrón ionizado con el átomo padre, lo que lleva a la generación de un tren de pulsos de attosegundos (APT). En el HHG de superficie, la interacción láser relativista (intensidad > 10¹⁸ W/cm²) ocurre con una capa de plasma delgada y densa formada en la superficie de objetivos sólidos y líquidos mediante preionización, lo que lleva a una dinámica electrónica subciclica que resulta en la emisión de APT en la dirección especular. Ambos esquemas son capaces de generar XUV con energías de fotones de hasta 100 eV. Si bien la eficiencia de generación de armónicos de estos dos esquemas puede ser similar (~ 10^-4), la escala del HHG de volumen está limitada por la intensidad de saturación del láser en el gas. Las fuentes XUV basadas en gas pueden operar continuamente a tasas de repetición muy altas (100 kHz) y son ideales para estudios que requieren grandes estadísticas. Las fuentes de HHG de superficie a menudo están limitadas en la tasa de repetición y el tiempo de funcionamiento, pero ofrecen intensidades de pulsos XUV más altas. Sin embargo, se espera que los avances recientes en la instrumentación de objetivos líquidos alivien estas limitaciones. Las líneas de haz de generación de armónicos de alto orden en gas (GHHG) y de generación de armónicos de alto orden en superficie (SHHG) en ELI ALPS atienden a estos dos esquemas de generación de XUV, ofreciendo una amplia gama de parámetros de pulsos XUV a los investigadores.