Wavefront shaping of terahertz radiation using two-color flying-focus pulses with time-dependent focal velocities

Le radiazioni terahertz occupano uno spazio unico nello spettro elettromagnetico, situandosi tra le microonde utilizzate per il Wi-Fi e la luce infrarossa che riscalda la nostra pelle. Questa banda invisibile di energia è uno strumento potente per scienziati e ingegneri perché può attraversare molti materiali che bloccano la luce visibile, come vestiti, cartone e plastica, senza danneggiarli. Ciò la rende ideale per vedere l'interno di pacchi, analizzare la composizione chimica dei gas o catturare immagini di tessuti biologici. Per far sì che queste applicazioni funzionino al meglio, i ricercatori hanno spesso bisogno di impulsi di questa radiazione che siano estremamente brevi e intensi. Uno dei modi più efficaci per creare tali impulsi è sparare un laser specializzato in un gas. Quando il laser colpisce il gas, strappa elettroni dagli atomi, creando una breve corrente in movimento che emette onde terahertz. La forma di queste onde mentre viaggiano dipende interamente da quanto velocemente si muove quella corrente di elettroni. Se la corrente si muove a una velocità costante, le onde si propagano in un cono, proprio come la scia a forma di V lasciata da una barca che si muove nell'acqua.

Per anni, gli scienziati sono stati in grado di controllare la velocità di questa corrente di elettroni fino a un certo punto, permettendo loro di regolare l'angolo con cui le onde terahertz si propagano. Tuttavia, questo controllo era limitato al mantenimento della velocità costante, il che significava che le onde formavano sempre quello stesso cono. Un nuovo studio condotto da ricercatori dell'Università di Rochester e dell'Université libre de Bruxelles ha dimostrato che cambiando la velocità della corrente di elettroni nel tempo, è possibile rimodellare le onde in forme completamente nuove. Invece di un cono, hanno dimostrato che le onde possono essere rese curve in una parabola, una forma naturalmente adatta per essere raccolta e focalizzata in un fascio stretto. Questa scoperta apre la porta alla creazione di impulsi terahertz che non sono solo potenti, ma anche precisamente modellati per compiti specifici, come focalizzare l'energia su un punto minuscolo o raccoglierla efficientemente da un'area ampia.

I ricercatori hanno ottenuto questo utilizzando una tecnica nota come "flying focus" (fuoco volante). In una configurazione laser standard, il punto di massima intensità è fisso in un punto specifico. In un flying focus, il punto di massima intensità viene fatto viaggiare lungo il raggio laser a una velocità che gli scienziati possono scegliere. Per fare ciò, hanno utilizzato un sistema ottico speciale che divide il laser in anelli di colori diversi e li ritarda leggermente in modo che convergano tutti in punti diversi lungo il percorso del raggio. Organizzando attentamente questi ritardi, hanno creato un impulso in cui la parte più luminosa si muove in avanti a una velocità specifica e controllabile. Nel loro esperimento, hanno utilizzato un impulso laser composto da due colori di luce, il che è necessario per guidare efficientemente la corrente di elettroni nel gas. Hanno programmato la parte più luminosa di questo impulso affinché iniziasse a muoversi molto velocemente e poi rallentasse costantemente mentre viaggiava attraverso il gas.

Mentre il punto luminoso del laser si muoveva attraverso il gas, ionizzava gli atomi, creando una scia di elettroni. Poiché il punto del laser stava rallentando, anche la scia di elettroni da esso creata rallentava. I ricercatori hanno scoperto che questa scia in decelerazione agiva come una sorgente in movimento che emetteva onde terahertz. Poiché la sorgente cambiava velocità, l'angolo con cui le onde venivano emesse cambiava continuamente. Invece di tutte le onde che viaggiano allo stesso angolo per formare un cono, le onde emesse all'inizio del processo viaggiavano con un angolo ampio, mentre quelle emesse successivamente viaggiavano con un angolo più ripido. Quando queste onde si combinavano, formavano una superficie parabolica curva. I ricercatori hanno utilizzato simulazioni informatiche avanzate per modellare questo processo, confermando che un fronte di ionizzazione in decelerazione produce un fronte d'onda parabolico, mentre un fronte a velocità costante produce il tradizionale cono.

Le simulazioni hanno rivelato che la forma della onda risultante è direttamente collegata a quanto varia la velocità. Regolando la velocità iniziale del fuoco del laser e la rapidità con cui rallenta, il team poteva controllare la curvatura dell'onda. Una velocità iniziale più veloce che rallenta più bruscamente crea una curva più stretta, mentre un inizio più lento crea una curva più piatta. Questo livello di controllo è significativo perché le onde paraboliche sono molto più facili da focalizzare rispetto alle onde coniche. Un'onda conica si propaga in un anello, rendendo difficile concentrare tutta l'energia in un singolo punto. Un'onda parabolica, invece, converge naturalmente, permettendo di raccogliere e focalizzare l'energia in modo molto più efficiente. Ciò potrebbe rappresentare un grande vantaggio per applicazioni che richiedono alta intensità, come l'accelerazione di particelle o la sonda di materiali con estrema precisione.

Lo studio ha anche esaminato le sfide pratiche della creazione di queste onde. Per ottenere una forma parabolica pulita e uniforme, il laser deve creare un flusso costante di elettroni lungo tutto il suo percorso. I ricercatori hanno scoperto che se l'intensità del laser fluttua o se il tempo tra i due colori della luce perde la sincronia, il flusso di elettroni diventa irregolare e la forma dell'onda si distorce. Hanno scoperto che progettando il loro sistema ottico con un foro centrale e assicurando che la velocità del laser fosse costante all'inizio e alla fine del percorso, potevano creare una regione più uniforme di generazione di elettroni. Questa uniformità è cruciale per ottenere la pulita forma parabolica prevista dai loro modelli. Le simulazioni hanno mostrato che, con questi aggiustamenti, gli impulsi terahertz risultanti avevano una distribuzione di energia liscia e uniforme, a differenza del modello a forma di anello visto con i laser a velocità costante.

Questo lavoro rappresenta un passaggio dal semplice controllo della velocità con cui si muove la corrente di elettroni al controllo di come tale velocità cambi nel tempo. Trattando la velocità del fronte di ionizzazione come una variabile che può essere programmata, i ricercatori hanno aggiunto un nuovo grado di libertà alla progettazione delle sorgenti terahertz. Le scoperte suggeriscono che è possibile ingegnerizzare la forma del fronte d'onda per adattarla alle esigenze di una specifica applicazione, invece di essere limitati alle forme che la natura fornisce per impostazione predefinita. Sebbene i risultati presentati qui si basino su simulazioni informatiche, la fisica sottostante si basa su principi stabiliti di interazione tra luce e materia. I ricercatori ritengono che, con i componenti ottici adeguati, questi impulsi modellati possano essere creati in un vero laboratorio. Questa capacità potrebbe portare a sistemi terahertz più efficienti per l'imaging e la rilevazione, dove la capacità di focalizzare il fascio strettamente è importante quanto la potenza della sorgente stessa.