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

Terahertzstraling neemt een unieke plaats in binnen het elektromagnetische spectrum, zittend tussen de microgolven die worden gebruikt voor wifi en het infrarood licht dat onze huid verwarmt. Deze onzichtbare band van energie is een krachtig hulpmiddel voor wetenschappers en ingenieurs omdat het door veel materialen kan gaan die zichtbaar licht blokkeren, zoals kleding, karton en plastic, zonder deze te beschadigen. Dit maakt het ideaal voor het zien in pakketten, het analyseren van de chemische samenstelling van gassen, of het vastleggen van beelden van biologische weefsels. Om deze toepassingen optimaal te laten werken, hebben onderzoekers vaak pulsen van deze straling nodig die extreem kort en intens zijn. Een van de meest effectieve manieren om dergelijke pulsen te creëren, is door een gespecialiseerde laser in een gas af te vuren. Wanneer de laser het gas raakt, onttrekt het elektronen aan de atomen, waardoor een korte, bewegende stroom ontstaat die terahertzgolven uitzendt. De vorm van deze golven terwijl ze reizen, hangt volledig af van hoe snel die bewegende stroom van elektronen beweegt. Als de stroom met een constante snelheid beweegt, verspreiden de golven zich in een kegel, vergelijkbaar met het V-vormige kielzog achter een boot die door het water vaart.

Jarenlang waren wetenschappers in staat om de snelheid van deze elektronenstroom tot op zekere hoogte te beheersen, waardoor ze de hoek waaronder de terahertzgolven zich verspreiden konden afstemmen, maar deze controle was beperkt tot het constant houden van de snelheid, wat betekende dat de golven altijd diezelfde kegelvorm aannamen. Een nieuwe studie door onderzoekers van de University of Rochester en de Université libre de Bruxelles heeft aangetoond dat door de snelheid van de elektronenstroom in de loop van de tijd te veranderen, zij de golven in geheel nieuwe vormen kunnen herschikken. In plaats van een kegel hebben zij aangetoond dat de golven in een parabool kunnen worden gevormd, een vorm die van nature geschikt is om te worden verzameld en gefocust tot een nauwe bundel. Deze ontdekking opent de deur naar het creëren van terahertzpulsen die niet alleen krachtig zijn, maar ook precies gevormd voor specifieke taken, zoals het focussen van energie op een minuscuul punt of het efficiënt verzamelen ervan vanuit een breed gebied.

De onderzoekers bereikten dit door een techniek te gebruiken die bekend staat als een "flying focus" (vliegende focus). In een standaard laseropstelling is het punt van de hoogste intensiteit op één vaste plek gefixeerd. In een flying focus wordt het punt van de hoogste intensiteit gemaakt om langs de laserstraal te reizen met een snelheid die de wetenschappers kunnen kiezen. Hiervoor gebruikten ze een speciaal optisch systeem dat de laser opsplitst in verschillende gekleurde ringen en deze licht vertraagt, zodat ze allemaal op verschillende afstanden langs de straal in een focus samenkomen. Door deze vertragingen zorgvuldig te arrangeren, creëerden ze een puls waarbij het helderste deel met een specifieke, controleerbare snelheid naar voren beweegt. In hun experiment gebruikten ze een laserpuls bestaande uit twee kleuren licht, wat noodzakelijk is om de elektronenstroom in het gas efficiënt aan te drijven. Ze programmeerden het helderste deel van deze puls om zeer snel te beginnen en vervolgens gestaag af te remmen terwijl het door het gas reisde.

Terwijl de heldere plek van de laser door het gas bewoog, ioniseerde het de atomen, waardoor een spoor van elektronen ontstond. Omdat de laserplek vertraagde, vertraagde het spoor van elektronen dat het creëerde ook. De onderzoekers ontdekten dat dit vertragende ionisatiefront fungeerde als een bewegende bron die terahertzgolven uitzond. Omdat de bron van snelheid veranderde, veranderde de hoek waaronder de golven werden uitgezonden continu. In plaats van dat alle golven onder dezelfde hoek reisden om een kegel te vormen, reisden de golven die vroeg in het proces werden uitgezonden onder een brede hoek, terwijl de golven die later werden uitgezonden onder een steilere hoek reisden. Wanneer deze golven samenkwamen, vormden ze een gebogen, parabolisch oppervlak. De onderzoekers gebruikten geavanceerde computersimulaties om dit proces te modelleren, waarmee zij bevestigden dat een vertragend ionisatiefront een parabolisch wavefront produceert, terwijl een front met een constante snelheid de traditionele kegel produceert.

De simulaties onthulden dat de vorm van de resulterende golf direct verbonden is met hoeveel de snelheid verandert. Door de initiële snelheid van de laserfocus aan te passen en hoe snel deze afremt, konden de onderzoekers de kromming van de golf controleren. Een snellere initiële snelheid die scherper afremt, creëert een nauwere curve, terwijl een langzamere start een vlakkere curve creëert. Dit niveau van controle is significant omdat parabolische golven veel gemakkelijker te focussen zijn dan kegelvormige golven. Een kegelvormige golf verspreidt zich in een ring, wat het moeilijk maakt om alle energie in één enkel punt te concentreren. Een parabolische golf convergeert echter van nature, waardoor de energie veel efficiënter kan worden verzameld en gefocust. Dit zou een groot voordeel kunnen zijn voor toepassingen die een hoge intensiteit vereisen, zoals het versnellen van deeltjes of het met extreme precisie beproeven van materialen.

De studie bekeek ook de praktische uitdagingen bij het creëren van deze golven. Om een zuivere, uniforme parabolische vorm te krijgen, moet de laser een constante stroom van elektronen langs zijn gehele pad creëren. De onderzoekers ontdekten dat als de laserintensiteit fluctueert of als de timing tussen de twee kleuren licht uit de pas loopt, de elektronenstroom ongelijkmatig wordt en de golfvorm vervormt. Ze ontdekten dat door hun optische systeem te ontwerpen met een centraal gat en door ervoor te zorgen dat de lasersnelheid constant was aan het begin en het einde van het pad, zij een meer uniform gebied voor elektronengeneratie konden creëren. Deze uniformiteit is cruciaal voor het verkrijgen van de zuivere parabolische vorm die hun modellen voorspellen. De simulaties toonden aan dat met deze aanpassingen de resulterende terahertzpulsen een gladde, evenmatige energieverdeling hadden, in tegen tegenstelling tot het ringvormige patroon dat bij lasers met een constante snelheid wordt gezien.

Dit werk vertegenwoordigt een verschuiving van het simpelweg controleren van hoe snel de elektronenstroom beweegt naar het controleren van hoe die snelheid in de loop van de tijd verandert. Door de snelheid van het ionisatiefront te behandelen als een variabele die geprogrammeerd kan worden, hebben de onderzoekers een nieuwe vrijheidsgraad toegevoegd aan het ontwerp van terahertzbronnen. De bevindingen suggereren dat het mogelijk is om de vorm van de wavefront te ontwerpen om aan te sluiten bij de behoeften van een specifieke toepassing, in plaats van beperkt te zijn tot de vormen die de natuur standaard biedt. Hoewel de resultaten die hier worden gepresenteerd gebaseerd zijn op computersimulaties, berust de onderliggende fysica op gevestigde principes van hoe licht en materie met elkaar interageren. De onderzoekers geloven dat deze gevormde pulsen met de juiste optische componenten in een echt laboratorium gecreëerd kunnen worden. Deze capaciteit zou kunnen leiden tot efficiëntere terahertzsystemen voor beeldvorming en detectie, waarbij het vermogen om de bundel nauw te focussen even belangrijk is als de kracht van de bron zelf.