A High Intensity Attosecond Light Source in Compact Geometry at ELI ALPS User Facility

Resumen Técnico: Una fuente de luz de attosegundos de alta intensidad en geometría compacta en ELI ALPS

Planteamiento del Problema
Si bien la Generación de Armónicos de Alto Orden (HHG, por sus siglas en inglés) se ha convertido en una técnica de laboratorio estándar para la producción de pulsos XUV de attosegundos, el acceso al alto flujo de fotones requerido para la fotoionización XUV no lineal sigue estando limitado a unos pocos grupos de investigación. Las soluciones de sobremesa existentes suelen depender de láseres de alta energía y baja tasa de repetición con un enfoque laxo, mientras que los Láseres de Electrones Libres (FEL), aunque potentes, requieren instalaciones especializadas y una gran pericia. Existe una necesidad crítica de una línea de haz compacta y de alta tasa de repetición capaz de entregar pulsos XUV de alto flujo y alta energía de fotones, adecuados para la óptica no lineal y esquemas de detección de coincidencia, específicamente para investigar la dinámica electrónica ultrafast sin las perturbaciones introducidas por campos de vestido (dressing fields) intensos.

Metodología
Los autores presentan la puesta en marcha y caracterización de la línea de haz de armónicos altos compacta SYLOS en la instalación para usuarios ELI ALPS. El sistema es impulsado por el láser SYLOS2 de clase pocos-TW (1 kHz, 35 mJ, pulsos de ~12 fs) o por el láser SEA de menor tasa de repetición (10 Hz).

• Diseño de la Línea de Haz: La línea de haz utiliza una geometría de enfoque laxo (números f que oscilan entre 60 y 400) para lograr intensidades pico de $\sim 10^{14}$ W/cm$^2$ manteniendo al mismo tiempo el ajuste de fase (phase matching). El sistema incorpora tres etapas de enfoque independientes totalmente reflectantes (longitudes focales de 10 m, 6 m y 3 m) y un espejo deformable para la corrección del frente de onda para lograr una relación de Strehl > 0.9.
• Objetivos de Generación: El sistema soporta tanto celdas de gas estáticas (hasta 30 cm) como chorros de gas pulsados (incluyendo boquillas con forma de rendija y de orificio). El ajuste de fase (quasi-phase matching) se logra disponiendo múltiples chorros de gas en serie.
• Separación de Haz y Diagnóstico: Los haces IR y XUV que co-propagan se separan mediante una cámara de separación de haz que ofrece tres caminos: un camino recto para transmisión de alto flujo, un camino superior que utiliza una placa de silicio en el ángulo de Brewster para diagnósticos y mediciones de reflectividad, y un camino inferior para estaciones de usuario.
• Caracterización Temporal: El perfil temporal de los trenes de pulsos de attosegundos se midió utilizando la técnica RABBITT (Reconstrucción de Batido de Attosegundos por Interferencia de Transiciones de Dos Fotones), correlacionando el peine (comb) de XUV con una sonda IR con fase bloqueada.
• Generación de Pulsos Aislados: Se implementó el filtrado de polarización (polarization gating, PG) utilizando láminas de onda para imponer una elipticidad temporalmente variable al pulso impulsor, con el objetivo de aislar pulsos de attosegundos únicos.
• Experimentos No Lineales: La capacidad de la línea de haz para interacciones no lineales se probó mediante experimentos de doble ionización de dos fotones XUV en Neón (Ne) y Argón (Ar) utilizando diagnósticos integrados de tiempo de vuelo (ToF) y espectrometría de masas iónica.

Contribuciones Clave y Resultados

1. Generación de Alto Flujo: La línea de haz genera con éxito pulsos XUV en el rango espectral de 15–40 eV. Utilizando una celda de gas con Xenón y el láser SEA, el sistema entregó aproximadamente 7.4 nJ en el objetivo (estimado en 308 nJ en la generación para dos armónicos, escalando a ~1 $\mu$J en total). Se lograron resultados similares con el láser SYLOS de 1 kHz utilizando chorros de gas.
2. Caracterización de la Duración del Pulso: Las mediciones de RABBITT en Argón revelaron un tren de pulsos de attosegundos con una duración reconstruida de 338 fs (FWHM, ancho completo a la mitad de la altura máxima), lo cual coincide estrechamente con el límite de la transformada de Fourier de 336 as. El tren de pulsos consiste en aproximadamente 8 ráfagas sub-ciclo.
3. Calidad Espacial: El haz de XUV exhibe un perfil espacial casi gaussiano con un diámetro de tamaño de punto de aproximadamente 8 mm a 6 m de propagación, lo que corresponde a una divergencia de 1.3 mrad.
4. Demostración de Pulso Aislado: La aplicación de filtrado de polarización resultó en la transición de un espectro de armónicos tipo peine a un espectro de XUV cuasi-continuo, proporcionando evidencia indirecta de la generación de pulsos de attosegundos casi aislados.
5. Física XUV No Lineal: El estudio demostró con éxito la doble ionización de dos fotones de Neón y Argón.
   • Neón: Se observó la doble ionización ($Ne^{2+}$) con una dependencia cuadrática de la intensidad de XUV, confirmando un proceso de dos fotones. La ausencia de $Ne^{3+}$ fue consistente con el régimen de energía de los fotones.
   • Argón: Se observó la doble ionización ($Ar^{2+}$) en el rango de 15–25 eV, muy por debajo del umbral de doble ionización de un solo fotón, confirmando la naturaleza no lineal de la interacción.
   • Los rendimientos iónicos para $Ne^{2+}$ y $Ar^{2+}$ mostraron pendientes de $\approx 2$ en una escala log-log contra la intensidad de XUV, mientras que las especies ionizadas individualmente mostraron pendientes lineales ($\approx 1$).

Significancia
El artículo afirma que la línea de haz SYLOS Compact establece una plataforma única y de acceso abierto para la ciencia de attosegundos que cierra la brecha entre las fuentes de HHG de sobremesa y las instalaciones de gran escala tipo FEL. Su significancia radica en su capacidad para entregar pulsos de attosegundos de alto flujo y alta tasa de repetición (1 kHz) con la intensidad suficiente para impulsar procesos de XUV no lineales. Esta capacidad permite la investigación de la dinámica electrónica ultrafast y fenómenos de correlación electrónica mediante esquemas de bomba-sonda XUV-XUV sin las complicaciones de los campos IR de vestido intensos. La demostración exitosa de la doble ionización de dos fotones valida la preparación de la línea de haz para campañas de usuarios enfocadas en procesos no lineales de orden superior y correlaciones electrónicas complejas en sistemas atómicos y moleculares.