Extreme ultraviolet vortex light tubes by chromatic wavefront shaping of high harmonics
Cet article introduit une stratégie de génération de tubes de lumière extrême ultraviolette (EUV) étendus en utilisant le façonnage de front d'onde chromatique pour fusionner des foyers de vortex harmoniques successifs le long de l'axe de propagation, créant ainsi des champs EUV ultrabrefs longitudinalement structurés qui sont entièrement découplés du processus de génération et adaptables à diverses sources à large bande.
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La lumière est bien plus qu'un simple faisceau qui illumine une pièce ; c'est un champ complexe qui peut être façonné, tordu et cadencé avec une précision incroyable. Depuis des décennies, les scientifiques ont appris à sculpter la lumière en formes spécifiques, lui conférant des propriétés telles qu'une forme de tire-bouchon qui transporte un type unique de rotation appelée moment angulaire orbital. Ces faisceaux torsadés, connus sous le nom de faisceaux de vortex, sont devenus des outils puissants pour étudier les matériaux magnétiques et repousser les limites de la technologie d'imagerie. Bien que les chercheurs aient maîtrisé la création de ces formes avec la lumière visible, pousser ce même concept dans le domaine de l'ultraviolet extrême — un spectre de lumière si énergétique qu'il peut révéler les rouages internes des atomes et des molécules — s'est avéré difficile. Le défi réside dans le fait que la lumière ultraviolette extrême se comporte différemment de la lumière que nous voyons, et les outils utilisés pour la façonner peinent souvent à gérer la large gamme de couleurs présentes dans ces impulsions à haute énergie.
Une équipe de chercheurs a maintenant trouvé un moyen de transformer une limitation connue de ces outils en une nouvelle caractéristique puissante. En travaillant avec des impulsions de lumière de haute énergie générées à partir d'un gaz, ils ont créé un long tube de lumière qui maintient sa forme torsadée sur une distance étonnamment longue. Au lieu de forcer toutes les différentes couleurs de la lumière à converger exactement au même point, les scientifiques ont délibérément permis qu'elles se focalisent à des positions légèrement différentes le long du chemin du faisceau. Cette utilisation ingénieuse de la tendance naturelle de la lumière à se séparer par couleur a produit une structure étendue et continue qui se comporte comme un tube solide d'énergie torsadée, plutôt que comme une série de points déconnectés.
L'expérience a commencé par une impulsion laser standard, qui a été focalisée dans une cellule remplie de gaz argon. Ce processus, connu sous le nom de génération d'harmoniques hautes, convertit la lumière laser en une salve d'impulsions ultraviolettes extrêmes contenant un spectre de différentes couleurs, ou harmoniques. Les chercheurs ont ensuite placé un élément optique spécialisé, une plaque de zone en spirale, directement sur le passage de cette nouvelle lumière. Ce dispositif est un disque plat présentant un motif d'anneaux concentriques qui tournent comme une spirale. Lorsque la lumière multicolore traverse la plaque, le motif en spirale imprime une torsion sur le front d'onde de chaque couleur, transformant le faisceau en un vortex.
Normalement, une lentille ou une plaque de zone focalise les différentes couleurs à des distances différentes, une propriété appelée chromaticité qui, d'ordinaire, floute l'image ou brise la structure. Dans cette étude, l'équipe a embrassé cet effet. Parce que les différentes couleurs du faisceau se focalisaient à des points légèrement différents le long du trajet du faisceau, leurs points focaux individuels se chevauchaient pour former un tube de lumière unique et continu. Les chercheurs ont mesuré ce tube comme ayant environ 10 micromètres de diamètre et s'étendant sur une longueur de 18 millimètres. C'est une réussite significative car cela crée un champ structuré et stable qui persiste sur une distance bien plus longue que le foyer d'une seule couleur le permettrait.
Pour comprendre ce à quoi ressemble réellement ce tube de lumière et comment il se comporte, l'équipe a utilisé un détecteur cristallin composé de fluorure de lithium. À mesure que la lumière traversait le cristal, elle laissait derrière elle un enregistrement permanent de sa forme sous la forme de défauts microscopiques. En balayant le cristal le long du chemin du faisceau, les chercheurs ont pu cartographier l'intensité de la lumière à différents points. Ils ont constaté que le centre creux du vortex, où aucune lumière n'existe, restait constant sur toute la longueur du tube. Ils ont également confirmé que la lumière transportait la torsion prévue, ou charge topologique, en analysant les motifs d'interférence créés lorsque la lumière interagissait avec elle-même. Les motifs montraient des structures spiralées claires, confirmant que la lumière était bien un vortex possédant les propriétés spécifiques qu'ils avaient conçues.
Des simulations informatiques ont permis d'examiner plus en profondeur la nature de cette lumière, révélant que le tube n'est pas seulement une forme statique, mais un train dynamique d'impulsions ultrafastes. La lumière voyage sous la forme d'une série de vortex de l'ordre de la femtoseconde, chacun durant environ une femtoseconde, soit un quadrillionième de seconde. Ces impulsions se déplacent ensemble le long du tube, maintenant leur structure au fur et à mesure de leur propagation. Les simulations ont montré que même si les différentes couleurs se focalisent à des points différents, le cadencement des impulsions est préservé, ce qui signifie que la nature ultrafaste de la lumière n'est pas perdue dans le processus. Cela suggère que le tube de lumière est composé d'un flux de bouffées d'énergie torsadées incroyablement courtes qui pourraient être utilisées pour sonder la matière aux plus petites échelles de temps et d'espace.
Les chercheurs ont démontré que cette méthode fonctionne avec différents types de torsions, en utilisant des plaques en spirale conçues pour créer soit une simple torsion, soit une double torsion dans la lumière. Dans les deux cas, le résultat était un tube de lumière stable et étendu. Cette approche offre une nouvelle façon d'élaborer des champs lumineux sans avoir besoin de modifier la source de la lumière elle-même. En remplaçant simplement l'élément optique à l'extrémité du faisceau, les scientifiques peuvent désormais créer différentes structures longitudinales, ouvrant des possibilités pour l'imagerie avancée, la métrologie et la lithographie. Ce travail montre qu'en comprenant et en utilisant les propriétés naturelles de la lumière et de l'optique, plutôt qu'en luttant contre elles, il est possible de créer des champs structurés complexes qui étaient auparavant difficiles à obtenir dans le domaine de l'ultraviolet extrême.
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