Характеристика импульсных характеристик OPCPA на длине волны 11,4 мкм. Измерение долговременной стабильности импульса. Средняя мощность 65 мВт, стандартное отклонение ϭ_RMS=1,9%. Вставка слева: распределение интенсивности в дальней зоне. Вставка справа: восстановлена ​​временная форма импульса с несколькими циклами. Предоставлено: Оптика (2022). DOI: 10.1364/ОПТИКА.472650

Новый источник света генерирует ультракороткие инфракрасные импульсы с длиной волны около 12 мкм с ранее недостижимой пиковой интенсивностью и стабильностью. Первые эксперименты по колебательной спектроскопии на воде демонстрируют высокий потенциал системы для приложений.

Ультракороткие световые импульсы представляют собой важный инструмент в фундаментальных исследованиях, а также нашли применение во многих оптических технологиях. Инфракрасный спектральный диапазон с длинами волн более 1 мкм играет ключевую роль в оптической связи, в то время как импульсы с длинами волн до 300 мкм требуются в оптических технологиях измерения и анализа и в методах визуализации.

Чрезвычайно короткие импульсы с несколькими циклами колебаний световой волны («импульс с малым циклом») представляют собой особую техническую проблему. Их генерация требует точного контроля оптической фазы и условий их распространения. Малоцикловые импульсы на длинах волн более 10 мкм важны для фундаментальных исследований неравновесных свойств конденсированных сред, т. е. твердых и жидких тел, и имеют большой потенциал применения, например, при обработке оптических материалов. В связи с этим генерация таких импульсов является актуальной темой исследований.

В журнале Optica исследователи из Института Макса Борна в Берлине сообщают о новом источнике света, который излучает ультракороткие инфракрасные импульсы с длиной волны более 10 мкм с рекордными параметрами. Чрезвычайно компактная система основана на концепции оптического параметрического усиления чирпированных импульсов (OPCPA), в которой слабый ультракороткий инфракрасный импульс усиливается за счет взаимодействия с интенсивным импульсом накачки с более короткой длиной волны в нелинейном кристалле.

Нелинейное пропускание жидкой воды (пленка толщиной 12 мкм, удерживаемая между двумя прозрачными окнами) в либрационной (L2) полосе (вибрация указана круглой стрелкой). ( а ) L2-поглощение воды (черная линия), падающий (пурпурная линия) и прошедший (зеленая линия) спектры импульсов 11,4 мкм (энергия: 25 мкДж). (b) Пропускание пробы воды в зависимости от энергии падающего импульса, показывающее увеличение нелинейного пропускания. Предоставлено: Оптика (2022). DOI: 10.1364/ОПТИКА.472650

В новом источнике света импульсы накачки длительностью около 3 пс на длине волны 2 мкм приводят в действие трехкаскадный параметрический усилитель с энергией накачки 6 мДж. Усиленные импульсы на длине волны около 12 мкм имеют энергию 65 мкДж и длительность 185 фс, что соответствует пиковой мощности около 0,4 гигаватт (1 ГВт = 109 Вт) в пределах примерно 5 оптических циклов световой волны. В последовательности 1 кГц импульсы очень стабильны и имеют превосходное качество оптического луча. Выходная мощность и частота повторения системы масштабируются.

Возможности этого уникального источника были продемонстрированы в опытах с жидкой водой. Впервые заторможенные вращения, так называемые либрации, молекул воды были возбуждены до такой степени, что их оптическое поглощение значительно уменьшилось. Из анализа насыщения этого поглощения оценивается время жизни либрационного возбуждения от 20 до 30 фс.