Stichting FOM
24 augustus 2010
Frequentiekamlasers maken de sprong naar extreem ultraviolet licht
Onderzoekers van het Institute for Lasers, Life and Biophotonics
Amsterdam aan de Vrije Universiteit hebben een methode ontwikkeld om de
grote precisie van frequentiekamlasers beschikbaar te maken voor
experimenten die gebruik maken van zeer korte golflengtes (
vergroten Figuur 1. Frequentiekamlasers maken de sprong naar extreem
ultraviolet licht
Deel a. Principe van extreem-ultraviolet frequentiekam generatie. Van
links naar rechts: spectrum en pulsstructuur van de orginele
frequentiekam, vervolgens hetzelfde voor twee versterkte
kamlaserpulsen, en als laatste het harmonische spectrum met een
uitvergroting van de kamstructuur in de 15e harmonische bij 51 nm. Deel
b. Schematisch excitatieschema van helium bij 51 nm met ionisatie door
een 1064 nm puls. Deel c. Schematische weergave van de opstelling,
hierin staat OPA voor optische parametrische versterker, D is een
diafragma, L is een lens, I is een iris, en HHG staat voor hoge
harmonische generatie.
Frequentiekamlasers toegelicht
Frequentiekamlasers hebben een ware revolutie teweeggebracht in vele
wetenschapsgebieden in de afgelopen tien jaar, zoals
precisie-frequentiemetrologie en attosecondefysica. Het is dan ook niet
verwonderlijk dat de onderzoekers Ted Haensch en John Hall voor onder
andere het principe achter deze lasers in 2005 de Nobelprijs voor de
natuurkunde ontvingen. Frequentiekamlasers ontlenen hun naam aan de
eigenschap dat ze honderdduizenden laserfrequenties tegelijkertijd
uitzenden, waarbij de onderlinge afstand tussen de frequenties precies
bekend en uiterst regelmatig is. Het spectrum lijkt hierdoor op een
'kam' aan frequenties. Tegelijkertijd interfereren alle frequenties
tesamen tot een oneindige reeks extreem korte laserpulsen waarvan de
electromagnetische golf ook heel precies onder controle is (de positie
in de tijd en de optische fase van de pulsen). Deze Fourier-relatie
wordt bepaald door maar twee parameters in de vorm van
radiofrequenties, die overeenkomen met een zogenaamde startfrequentie
en de herhalingsfrequentie van de pulsen. Frequentiekammen werken
daarom als een soort overbrenging tussen optische frequenties van
honderden THz, en radiofrequenties in het MHz bereik die heel
nauwkeurig te meten zijn met behulp van atoomklokken. Op die wijze komt
de nauwkeurigheid van atoomklokken (minstens 15 cijfers zijn mogelijk)
via een frequentiekam ook beschikbaar bij hoge (optische) frequenties
die niet direct electronisch te meten zijn. Dit is van groot belang
voor onder andere precisiespectroscopie en bij de ontwikkeling van
optische atoomklokken. Bij dat laatste werkt de frequentiekam de andere
kant op: een optische overgang wordt gebruikt als frequentiestandaard
die met een frequentiekam naar meetbare frequenties wordt
teruggebracht. Door de hoge frequentie van optische overgangen kan een
veel hogere nauwkeurigheid behaald worden (in een kortere tijd) dan
met traditionele atoomklokken op basis van een microgolfovergang. Door
deze ontwikkelingen is niets zo nauwkeurig te meten als frequenties.
Dit wordt tegenwoordig onder andere gebruikt om te testen of de
natuurconstantes eigenlijk wel constant zijn. Tegelijkertijd geeft
controle over de elektromagnetische golf van lichtpulsen met behulp van
kamlasers ook de volgende mogelijkheid: het sturen van processen met
een tijdresolutie beter dan een femtoseconde. Dit heeft tot een
stormachtige ontwikkeling geleid van de attosecondenfysica.
Sprong naar extreem ultraviolet licht
Extreem ultraviolet licht heeft een dusdanig korte golflengte, dat het
meteen in de lucht en in optische materialen wordt geabsorbeerd. Daarom
is het nodig om niet-lineaire optische methoden te gebruiken om een
frequentiekam bij die golflengtes te maken. De nieuwe onderzoeksmethode
is gebaseerd op versterking (meer dan een tien miljoen keer) van twee
laserpulsen van een kamlaser bij 773 nm. Vooral de fase tussen de
pulsen wordt hierbij heel precies gelijk gehouden zodat het een
frequentiekam blijft. De versterkte pulsen met een energie van een paar
mJ zijn vervolgens sterk genoeg om in krypton gas een niet-lineair
proces in gang te zetten die hoge-harmonische frequenties produceert
van de oorspronkelijke lichtfrequenties. Een van die harmonische is de
15e bij 51 nm. De twee geconverteerde pulsen bij 51 nm vormen tesamen
een frequentiekam in de vorm van een cosinus-gemoduleerd spectrum. De
maxima van dit spectrum komen overeen met de verwachte getransformeerde
posities van het oorspronkelijke kamspectrum in het infrarood.
Om te demonstreren dat hiermee daadwerkelijk precisiemetingen kunnen
worden uitgevoerd is het kamlicht bij 51 nm gebruikt om helium vanuit
de grondtoestand te exciteren naar de 4p en 5p singlet niveaus. Uit de
analyse van het excitatie signaal is vervolgens de
grondtoestandsenergie met een frequentienauwkeurigheid van 6 MHz
bepaald.
Toekomstperspectief
Het hoge contrast van het helium signaal (tot 55%) laat zien dat via
deze methode frequentiekammen waarschijnlijk naar nog veel kortere
golflengtes geconverteerd kunnen worden, en dat ook de resolutie nog
aanzienlijk kan worden verbeterd. Dit biedt perspectieven voor het
testen van QED in hoog-geladen ionen waarin deze effecten vele malen
groter zijn. Een ander interessant perspectief is het realiseren van
optische klokken op basis van extreem ultraviolet of zelfs
röntgenovergangen, waarmee in de toekomst tijd en frequenties zo
mogelijk nog nauwkeuriger bepaald kunnen worden.
Dit onderzoek is verricht in het kader van het FOM-Industrial
Partnership Programme 'Metrology with Frequency Comb Lasers'.
Referentie
"Exteme ultraviolet frequency comb metrology", D.Z. Kandula, Ch. Cohle,
T.J. Pinkert, W. Ubachs, K.S.E. Eikema, Phys. Rev. Lett. 105, 063001
(2010)
Highlighted in PRL:
http://physics.aps.org/synopsis-for/10.1103/PhysRevLett.105.063001
Highlighted in Nature: Nature 466, 798 (2010), doi:10.1038/466798c