Extreme ultraviolet vortex light tubes by chromatic wavefront shaping of high harmonics
Dit artikel introduceert een strategie voor het genereren van uitgebreide extreem ultraviolette (EUV) lichtbuizen door middel van chromatische wavefront-shaping om opeenvolgende harmonische vortex-foci langs de voortplantingsas te versmelten, waardoor longitudinaal gestructureerde ultrasnelle EUV-velden worden gecreëerd die volledig ontkoppeld zijn van het generatieproces en aanpasbaar zijn aan diverse breedbandbronnen.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer
Licht is meer dan alleen een straal die een kamer verlicht; het is een complex veld dat met ongelooflijke precisie kan worden gevormd, gedraaid en getimed. Decennialang hebben wetenschappers geleerd om licht in specifieke vormen te boetseren, waardoor het eigenschappen krijgt zoals een kurkentrekker-vorm die een unieke soort draai met zich meedraagt, genaamd orbitale hoekmomentum. Deze gedraaide bundels, bekend als vortexbundels, zijn krachtige instrumenten geworden voor het bestuderen van magnetische materialen en het verleggen van de grenzen van beeldtechnologie. Terwijl onderzoekers deze vormen met zichtbaar licht onder de knie hebben gekregen, bleek het uitdagend om hetzelfde concept naar het extreem ultraviolette bereik te brengen—een spectrum van licht dat zo energierijk is dat het de binnenste werking van atomen en moleculen kan onthullen. De uitdaging ligt in het feit dat extreem ultraviolet licht anders gedraagt dan het licht dat wij zien, en de instrumenten die worden gebruikt om het te vormen, worstelen vaak met het brede scala aan kleuren dat aanwezig is in deze hoogenergetische pulsen.
Een team van onderzoekers heeft nu een manier gevonden om een bekende beperking van deze instrumenten om te zetten in een krachtig nieuw kenmerk. Door te werken met hoogenergetische lichtpulsen gegenereerd uit een gas, hebben zij een lange, holle lichtbuis gecreëerd die zijn gedraaide vorm over een verrassend lange afstand behoudt. In plaats van te proberen alle verschillende kleuren van het licht op exact hetzelfde punt te focussen, lieten de wetenschappers ze doelbewust op iets verschillende posities focussen langs het pad van de bundel. Dit slimme gebruik van de natuurlijke neiging van het licht om te scheiden op kleur resulteerde in een continue, uitgebreide structuur die zich gedraagt als een solide buis van gedraaide energie, in plaats van een reeks losstaande punten.
Het experiment begon met een standaard laserpuls, die in een cel gevuld met argon gas werd gefocust. Dit proces, bekend als hoge harmonische generatie, zet het laserlicht om in een reeks extreem ultraviolette pulsen die een spectrum van verschillende kleuren, of harmonieken, bevatten. De onderzoekers plaatsten vervolgens een gespecialiseerd optisch element, een spiraalvormige zoneplaat, direct in het pad van dit nieuwe licht. Dit apparaat is een platte schijf met een patroon van concentrische ringen die draaien als een spiraal. Wanneer het veelkleurige licht erdoorheen gaat, drukt het spiraalpatroon een draai af op de golffront van elke kleur, waardoor de bundel een vortex wordt.
Normaal gesproken focust een lens of een zoneplaat verschillende kleuren op verschillende afstanden, een eigenschap genaamd chromaticiteit die meestal het beeld vertroebelt of de structuur verbreekt. In dit onderzoek omarmde het team dit effect juist. Omdat de verschillende kleuren in de bundel op iets andere punten focusten langs het pad van de bundel, overlapten hun individuele brandpunten zich om een enkele, continue lichtbuis te vormen. De onderzoekers maten deze buis als ongeveer 10 micrometer in diameter en een lengte van 18 millimeter. Dit is een belangrijke prestatie, omdat het een stabiele, gestructureerde veld creëert dat standhoudt over een afstand die veel langer is dan het brandpunt van een enkele kleur zou toelaten.
Om te begrijpen hoe deze lichtbuis er werkelijk uitziet en hoe deze zich gedraagt, gebruikte het team een kristaldetector gemaakt van lithiumfluoride. Terwijl het licht door het kristal ging, liet het een permanent verslag van zijn vorm achter in de vorm van microscopische defecten. Door de kristal langs het pad van de bundel te scannen, konden de onderzoekers de intensiteit van het licht op verschillende punten in kaart brengen. Ze ontdekten dat de holle kern van de vortex, waar geen licht bestaat, consistent bleef over de gehele lengte van de buis. Ze bevestigden ook dat het licht de beoogde draai, of topologische lading, met zich meedroeg door de interferentiepatronen te analyseren die ontstonden wanneer het licht met zichzelf interfereerde. De patronen vertoonden duidelijke spiraalstructuren, wat bevestigde dat het licht inderdaad een vortex was met de specifieke eigenschappen die zij hadden ontworpen.
Computersimulaties boden een dieper inzicht in de aard van dit licht, en lieten zien dat de buis niet slechts een statische vorm is, maar een dynamische trein van ultrasnelle pulsen. Het licht reist als een reeks femtoseconde-vortices, die elk slechts ongeveer één femtoseconde duren, wat één quadriljoenste van een seconde is. Deze pulsen bewegen samen langs de buis en behouden hun structuur terwijl ze voortplanten. De simulaties toonden aan dat, hoewel de verschillende kleuren op verschillende punten focussen, de timing van de pulsen behouden blijft, wat betekent dat het ultrasnelle karakter van het licht in het proces niet verloren gaat. Dit suggereert dat de lichtbuis bestaat uit een stroom van ongelooflijk korte, gedraaide energiebursts die kunnen worden gebruikt om materie op de kleinste schalen van tijd en ruimte te onderzoeken.
De onderzoekers hebben aangetoond dat deze methode werkt met verschillende soorten draaiingen, waarbij gebruik werd gemaakt van spiraalplaten die ontworpen zijn om ofwel een enkele draai of een dubbele draai in het licht te creëren. In beide gevallen was het resultaat een stabiele, uitgebreide lichtbuis. Deze aanpak biedt een nieuwe manier om lichtvelden te manipuleren zonder de bron van het licht zelf te hoeven veranderen. Door simpelweg het optische element aan het einde van de bundel te vervangen, kunnen wetenschappers nu verschillende longitudinale structuren creëren, wat mogelijkheden opent voor geavanceerde beeldvorming, metrologie en lithografie. Het werk laat zien dat door de natuurlijke eigenschappen van licht en optica te begrijpen en te benutten, in plaats van ertegen te vechten, het mogelijk is om complexe, gestructureerde velden te creëren die voorheen moeilijk te bereiken waren in het extreem ultraviolette bereik.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.