A High Intensity Attosecond Light Source in Compact Geometry at ELI ALPS User Facility

Resumo Técnico: Uma Fonte de Luz de Alta Intensidade na Escala de Attossegundos em Geometria Compacta no ELI ALPS

Definição do Problema
Embora a Geração de Harmônicos de Alta Ordem (HHG) tenha se tornado uma técnica laboratorial padrão para a produção de pulsos de XUV na escala de attossegundos, o acesso ao alto fluxo de fótons necessário para a fotoionização não linear permanece limitado a poucos grupos de pesquisa. As soluções de bancada existentes frequentemente dependem de lasers de alta energia e baixa taxa de repetição com foco difuso, enquanto os Lasers de Elétrons Livres (FELs), embora poderosos, exigem instalações especializadas e conhecimento profundo. Há uma necessidade crítica de uma linha de feixe compacta, de alta taxa de repetição, capaz de entregar pulsos de XUV de alto fluxo e alta energia de fóton adequados para óptica não linear e esquemas de detecção de coincidência, especificamente para investigar a dinâmica eletrônica ultrarrápida sem as perturbações introduzidas por campos de vestimenta (dressing fields) intensos.

Metodologia
Os autores apresentam o comissionamento e a caracterização da linha de feixe de harmônicos de alta ordem compacta SYLOS no ELI ALPS. O sistema é impulsionado pelo laser SYLOS2 da classe de poucos TW (1 kHz, 35 mJ, pulsos de ~12 fs) ou pelo laser SEA de menor taxa de repetição (10 Hz).

• Design da Linha de Feixe: A linha de feixe utiliza uma geometria de foco difuso (números f variando de 60 a 400) para alcançar intensidades de pico de $\sim 10^{14}$ W/cm$^2$ enquanto mantém o casamento de fase (phase matching). O sistema incorpora três estágios de foco independentes totalmente reflexivos (distâncias focais de 10 m, 6 m e 3 m) e um espelho deformável para correção de frente de onda para atingir uma razão de Strehl > 0,9.
• Alvos de Geração: O sistema suporta tanto células de gás estáticas (até 30 cm) quanto jatos de gás pulsados (incluindo bocais em forma de fenda e de orifício). O casamento de fase quase-periódico (quasi-phase matching) é alcançado através do arranjo de múltiplos jatos de gás em série.
• Separação de Feixe e Diagnósticos: Os feixes de IR e XUV copropagantes são separados via uma câmara de separação de feixe que oferece três caminhos: um caminho direto para transmissão de alto fluxo, um caminho superior utilizando uma placa de silício no ângulo de Brewster para diagnósticos e medições de refletividade, e um caminho inferior para estações de usuário.
• Caracterização Temporal: O perfil temporal dos trens de pulsos de attossegundos foi medido utilizando a técnica RABBITT (Reconstruction of Attestation Beating by Interference of Two-Photon Transitions), correlacionando o pente de XUV com uma sonda de IR com fase travada (phase-locked).
• Geração de Pulso Isolado: A técnica de portão de polarização (polarization gating, PG) foi implementada usando lâminas de onda para impor uma elipticidade temporalmente variável ao pulso impulsionador, visando isolar pulsos únicos de attossegundo.
• Experimentos Não Lineares: A capacidade da linha de feixe para interações não lineares foi testada via experimentos de dupla ionização por dois fótons de XUV em Neônio (Ne) e Argônio (Ar) usando diagnósticos integrados de tempo de voo (ToF) e espectrometria de massa iônica.

Principais Contribuições e Resultados

1. Geração de Alto Fluxo: A linha de feixe gera com sucesso pulsos de XUV na faixa espectral de 15–40 eV. Usando uma célula de gás com Xenônio e o laser SEA, o sistema entregou aproximadamente 7,4 nJ no alvo (estimados 308 nJ na geração para dois harmônicos, escalando para ~1 $\mu$J no total). Resultados semelhantes foram alcançados com o laser SYLOS de 1 kHz usando jatos de gás.
2. Caracterização da Duração do Pulso: Medições de RABBITT em Argônio revelaram um trem de pulsos de attossegundos com uma duração reconstruída de 338 fs (Largura Total à Meia Altura), correspondendo de perto ao limite de transformada de Fourier de 336 as. O trem de pulsos consiste em aproximadamente 8 surtos subcíclicos.
3. Qualidade Espacial: O feixe de XUV exibe um perfil espacial quase Gaussiano com um diâmetro de tamanho de ponto de aproximadamente 8 mm em 6 m de propagação, correspondendo a uma divergência de 1,3 mrad.
4. Demonstração de Pulso Isolado: A aplicação de portão de polarização resultou na transição de um espectro harmônico em forma de pente para um espectro de XUV quase contínuo, fornecendo evidência indireta de geração de pulso de attos segundo quase isolado.
5. Física de XUV Não Linear: O estudo demonstrou com sucesso a dupla ionização por dois fótons de Neônio e Argônio.
   • Neônio: A dupla ionização ($Ne^{2+}$) foi observada com uma dependência quadrática da intensidade de XUV, confirmando um processo de dois fótons. A ausência de $Ne^{3+}$ foi consistente com o regime de energia de fótons.
   • Argônio: A dupla ionização ($Ar^{2+}$) foi observada na faixa de 15–25 eV, bem abaixo do limiar de ionização dupla de fóton único, confirmando a natureza não linear da interação.
   • Os rendimentos iônicos para $Ne^{2+}$ e $Ar^{2+}$ mostraram inclinações de $\approx 2$ em uma escala log-log contra a intensidade de XUV, enquanto as espécies ionizadas singulares mostraram inclinações lineares ($\approx 1$).

Significância
O artigo afirma que a linha de feixe SYLOS Compact estabelece uma plataforma única e de acesso aberto para a ciência de attossegundos que preenche a lacuna entre fontes de HHG de bancada e instalações de grande escala de FEL. Sua significância reside na capacidade de entregar pulsos de attossegundos de alto fluxo e alta taxa de repetição (1 kHz) com intensidade suficiente para impulsionar processos não lineares de XUV. Essa capacidade permite a investigação da dinâmica eletrônica ultrarrápida e fenômenos eletrônicos correlacionados via esquemas de bomba-sonda XUV-XUV sem as complicações de campos de IR de forte vestimenta (dressing fields). A demonstração bem-sucedida da dupla ionização por dois fótons valida a prontidão da linha de feixe para campanhas de usuários focadas em processos não lineares de ordem superior e correlações eletrônicas complexas em sistemas atômicos e moleculares.