Extreme ultraviolet vortex light tubes by chromatic wavefront shaping of high harmonics
Este artículo introduce una estrategia para generar tubos de luz ultravioleta extrema (EUV) extendidos mediante el uso de la conformación cromática del frente de onda para fusionar focos de vórtice armónico sucesivos a lo largo del eje de propagación, creando así campos de EUV ultrarrápidos longitudinalmente estructurados que están completamente desacoplados del proceso de generación y son adaptables a diversas fuentes de banda ancha.
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La luz es más que un simple haz que ilumina una habitación; es un campo complejo que puede ser moldeado, retorcido y cronometrado con una precisión increíble. Durante décadas, los científicos han aprendido a esculpir la luz en formas específicas, dotándola de propiedades como una forma de sacacorchos que transporta un tipo único de giro llamado momento angular orbital. Estos haces retorcidos, conocidos como haces de vórtice, se han convertido en poderosas herramientas para estudiar materiales magnéticos y para llevar al límite la tecnología de imagen. Aunque los investigadores han dominado la creación de estas formas con luz visible, llevar el mismo concepto al rango del ultravioleta extremo —un espectro de luz tan energético que puede revelar el funcionamiento interno de átomos y moléculas— ha resultado difícil. El desafío radica en que la luz ultravioleta extrema se comporta de manera diferente a la luz que vemos, y las herramientas utilizadas para darle forma a menudo tienen dificultades con la amplia gama de colores presentes en estos pulsos de alta energía.
Un equipo de investigadores ha encontrado ahora una manera de convertir una limitación conocida de estas herramientas en una nueva y poderosa característica. Al trabajar con pulsos de luz de alta energía generados a partir de un gas, han creado un largo tubo de luz que mantiene su forma retorcida a lo largo de una distancia sorprendentemente larga. En lugar de intentar forzar a todos los diferentes colores de la luz a enfocarse en el mismo punto exacto, los científicos permitieron deliberadamente que se enfocaran en posiciones ligeramente diferentes a lo largo de la trayectoria del haz. Este uso ingenioso de la tendencia natural de la luz a separarse por color resultó en una estructura continua y extendida que se comporta como un tubo sólido de energía retorcida, en lugar de una serie de puntos desconectados.
El experimento comenzó con un pulso láser estándar, que fue enfocado en una celda llena de gas argón. Este proceso, conocido como generación de armónicos altos, convierte la luz láser en una ráfaga de pulsos de ultravioleta extremo que contiene un espectro de diferentes colores, o armónicos. Los investigadores colocaron luego un elemento óptico especializado, una placa de zona en espiral, directamente en la trayectoria de esta nueva luz. Este dispositivo es un disco plano con un patrón de anillos concéntricos que se retuercen como una espiral. Cuando la luz multicolor pasa a través de él, el patrón de espiral imprime un giro en el frente de onda de cada color, convirtiendo el haz en un vórtice.
Normalmente, una lente o una placa de zona enfoca diferentes colores en diferentes distancias, una propiedad llamada cromaticidad que suele desenfocar la imagen o romper la estructura. En este estudio, el equipo abrazó este efecto. Debido a que los diferentes colores en el haz se enfocaban en puntos ligeramente distintos a lo largo de la trayectoria del haz, sus focos individuales se superponían para formar un tubo de luz único y continuo. Los investigadores midieron este tubo, el cual tiene unos 10 micrómetros de diámetro y se extiende a lo largo de 18 milímetros. Este es un logro significativo porque crea un campo estructurado y estable que persiste durante una distancia mucho mayor que el foco de un solo color.
Para entender cómo se ve realmente este tubo de luz y cómo se comporta, el equipo utilizó un detector de cristal hecho de fluoruro de litio. A medida que la luz pasaba por el cristal, dejaba un registro permanente de su forma en forma de defectos microscópicos. Al escanear el cristal a lo largo de la trayectoria del haz, los investigadores pudieron mapear la intensidad de la luz en diferentes puntos. Descubrieron que el centro hueco del vórtice, donde no existe luz, se mantenía constante a lo largo de toda la longitud del tubo. También confirmaron que la luz transportaba el giro previsto, o carga topológica, analizando los patrones de interferencia creados cuando la luz interactúa consigo misma. Los patrones mostraron estructuras espirales claras, confirmando que la luz era, de hecho, un vórtice con las propiedades específicas que diseñaron.
Las simulaciones por computadora proporcionaron una mirada más profunda a la naturaleza de esta luz, revelando que el tubo no es solo una forma estática, sino un tren dinámico de pulsos ultrafast. La luz viaja como una serie de vórtices de femtosegundos, cada uno con una duración de apenas un femtosegundo, que es un milmillonésima de segundo (un cuadrillonésima de segundo). Estos pulsos se mueven juntos a lo largo del tubo, manteniendo su estructura mientras se propagan. Las simulaciones mostraron que, aunque los diferentes colores se enfocan en puntos distintos, el tiempo de los pulsos se preserva, lo que significa que la naturaleza ultrafast de la luz no se pierde en el proceso. Esto sugiere que el tubo de luz está compuesto por una corriente de ráfagas de energía increíblemente cortas y retorcidas que podrían utilizarse para sondear la materia en las escalas más pequeñas de tiempo y espacio.
Los investigadores demostraron que este método funciona con diferentes tipos de giros, utilizando placas espirales diseñadas para crear un giro simple o un doble giro en la luz. En ambos casos, el resultado fue un tubo de luz estable y extendido. Este enfoque ofrece una nueva forma de diseñar campos de luz sin necesidad de cambiar la fuente de la luz misma. Simplemente cambiando el elemento óptico al final del haz, los científicos pueden ahora crear diferentes estructuras longitudinales, abriendo posibilidades para la imagen avanzada, la metrología y la litografía. El trabajo demuestra que, al comprender y utilizar las propiedades naturales de la luz y la óptica, en lugar de luchar contra ellas, es posible crear campos complejos y estructurados que antes eran difíciles de lograr en el rango del ultravioleta extremo.
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