Frequentiekamlasers maken de sprong naar extreem ultraviolet licht
Onderzoekers van het Institute for Lasers, Life and Biophotonics Amsterdam aan de Vrije Universiteit hebben een methode ontwikkeld om de grote precisie van frequentiekamlasers beschikbaar te maken voor experimenten die gebruik maken van zeer korte golflengtes (< 100 nm in het extreem ultraviolet). Voorheen waren frequentiekamlasers alleen beschikbaar voor experimenten met grotere golflengtes (infrarood tot zichtbaar licht). Gebaseerd op een speciaal ontwikkelde optische versterker en niet-lineaire optische conversie door hoge-harmonische generatie is nu een frequentiekam bij 51 nm gerealiseerd. Deze kam, bij een optische frequentie van 6 PHz, maakt het voor het eerst mogelijk om absolute frequentiemetingen uit te voeren in het extreem ultraviolet. Als eerste toepassing is de ionisatie-energie van de grondtoestand van helium bepaald met een bijna tien keer grotere nauwkeurigheid dan voorheen. De gevonden waarde komt goed overeen met de meest recente theoretische voorspellingen op basis van geavanceerde Quantum Electrodynamica-berekeningen (QED, de best geteste theorie in de natuurkunde). De bevindingen van de onderzoekers zijn op 2 augustus 2010 gepubliceerd in het gerenommeerde tijdschrift Physical Review Letters (PRL). Het onderzoek is vervolgens zowel in PRL als in Nature als highlight aangehaald.
Frequentiekamlasers toegelicht
Frequentiekamlasers hebben een ware revolutie teweeggebracht in vele wetenschapsgebieden in de afgelopen tien jaar, zoals precisie-frequentiemetrologie en attosecondefysica. Het is dan ook niet verwonderlijk dat de onderzoekers Ted Haensch en John Hall voor onder andere het principe achter deze lasers in 2005 de Nobelprijs voor de natuurkunde ontvingen. Frequentiekamlasers ontlenen hun naam aan de eigenschap dat ze honderdduizenden laserfrequenties tegelijkertijd uitzenden, waarbij de onderlinge afstand tussen de frequenties precies bekend en uiterst regelmatig is. Het spectrum lijkt hierdoor op een 'kam' aan frequenties. Tegelijkertijd interfereren alle frequenties tesamen tot een oneindige reeks extreem korte laserpulsen waarvan de electromagnetische golf ook heel precies onder controle is (de positie in de tijd en de optische fase van de pulsen). Deze Fourier-relatie wordt bepaald door maar twee parameters in de vorm van radiofrequenties, die overeenkomen met een zogenaamde startfrequentie en de herhalingsfrequentie van de pulsen. Frequentiekammen werken daarom als een soort overbrenging tussen optische frequenties van honderden THz, en radiofrequenties in het MHz bereik die heel nauwkeurig te meten zijn met behulp van atoomklokken. Op die wijze komt de nauwkeurigheid van atoomklokken (minstens 15 cijfers zijn mogelijk) via een frequentiekam ook beschikbaar bij hoge (optische) frequenties die niet direct electronisch te meten zijn. Dit is van groot belang voor onder andere precisiespectroscopie en bij de ontwikkeling van optische atoomklokken. Bij dat laatste werkt de frequentiekam de andere kant op: een optische overgang wordt gebruikt als frequentiestandaard die met een frequentiekam naar meetbare frequenties wordt teruggebracht. Door de hoge frequentie van optische overgangen kan een veel hogere nauwkeurigheid behaald worden (in een kortere tijd) dan met traditionele atoomklokken op basis van een microgolfovergang. Door deze ontwikkelingen is niets zo nauwkeurig te meten als frequenties. Dit wordt tegenwoordig onder andere gebruikt om te testen of de natuurconstantes eigenlijk wel constant zijn. Tegelijkertijd geeft controle over de elektromagnetische golf van lichtpulsen met behulp van kamlasers ook de volgende mogelijkheid: het sturen van processen met een tijdresolutie beter dan een femtoseconde. Dit heeft tot een stormachtige ontwikkeling geleid van de attosecondenfysica.
Sprong naar extreem ultraviolet licht
Extreem ultraviolet licht heeft een dusdanig korte golflengte, dat het meteen in de lucht en in optische materialen wordt geabsorbeerd. Daarom is het nodig om niet-lineaire optische methoden te gebruiken om een frequentiekam bij die golflengtes te maken. De nieuwe onderzoeksmethode is gebaseerd op versterking (meer dan een tien miljoen keer) van twee laserpulsen van een kamlaser bij 773 nm. Vooral de fase tussen de pulsen wordt hierbij heel precies gelijk gehouden zodat het een frequentiekam blijft. De versterkte pulsen met een energie van een paar mJ zijn vervolgens sterk genoeg om in krypton gas een niet-lineair proces in gang te zetten die hoge-harmonische frequenties produceert van de oorspronkelijke lichtfrequenties. Een van die harmonische is de 15e bij 51 nm. De twee geconverteerde pulsen bij 51 nm vormen tesamen een frequentiekam in de vorm van een cosinus-gemoduleerd spectrum. De maxima van dit spectrum komen overeen met de verwachte getransformeerde posities van het oorspronkelijke kamspectrum in het infrarood.
Om te demonstreren dat hiermee daadwerkelijk precisiemetingen kunnen worden uitgevoerd is het kamlicht bij 51 nm gebruikt om helium vanuit de grondtoestand te exciteren naar de 4p en 5p singlet niveaus. Uit de analyse van het excitatie signaal is vervolgens de grondtoestandsenergie met een frequentienauwkeurigheid van 6 MHz bepaald.
Toekomstperspectief
Het hoge contrast van het helium signaal (tot 55%) laat zien dat via deze methode frequentiekammen waarschijnlijk naar nog veel kortere golflengtes geconverteerd kunnen worden, en dat ook de resolutie nog aanzienlijk kan worden verbeterd. Dit biedt perspectieven voor het testen van QED in hoog-geladen ionen waarin deze effecten vele malen groter zijn. Een ander interessant perspectief is het realiseren van optische klokken op basis van extreem ultraviolet of zelfs röntgenovergangen, waarmee in de toekomst tijd en frequenties zo mogelijk nog nauwkeuriger bepaald kunnen worden.
Dit onderzoek is verricht in het kader van het FOM-Industrial Partnership Programme 'Metrology with Frequency Comb Lasers'.
Referentie
“Exteme ultraviolet frequency comb metrology”, D.Z. Kandula, Ch. Cohle, T.J. Pinkert, W. Ubachs, K.S.E. Eikema, Phys. Rev. Lett. 105, 063001 (2010)
Highlighted in PRL:
http://physics.aps.org/synopsis-for/10.1103/PhysRevLett.105.063001
Informatie
Voor meer informatie kunt u contact opnemen met:
Prof.dr. Kjeld Eikema, telefoon (020) 598 79 57.