Получение изолированных аттосекундных импульсов с помощью филаментации

Заморозка движения с частотой миллиардов миллиардов кадров в секунду

Многие ключевые явления в природе происходят гораздо быстрее, чем может зафиксировать камера: электроны перемещаются в атомах, заряды бросаются через материалы, спины переворачиваются в магнитах. Чтобы наблюдать такие процессы напрямую, учёные используют вспышки света длительностью всего лишь в аттосекунды — доли от миллиардной доли миллиардной доли секунды. В этой работе описан простой и надёжный способ генерировать такие экстремально короткие вспышки с использованием распространённого промышленного лазера и удачно сконструированного газового устройства, что потенциально делает «камеры со скоростью электронов» более доступными для многих лабораторий.

Почему важны ультракороткие световые вспышки

Аттосекундные импульсы преобразили подход к изучению материи. С их помощью можно отслеживать движение электронов в атомах, молекулах и твердотельных телах, наблюдать распространение возмущений и управлять магнитными состояниями в материалах. Эти возможности лежат в основе развивающихся «световых» технологий, которые в будущем могли бы обрабатывать информацию на петацикловых частотах — значительно быстрее современной электроники. Но для дальнейшего прогресса экспериментаторам нужны аттосекундные импульсы не только чрезвычайно короткие, но и яркие, чистые и стабильные от выстрела к выстрелу.

Преобразование надёжного лазера в стробоскоп со скоростью электронов

Авторы работают с прочным иттербиевым (Yb) лазером — популярной платформой для мощных фемтосекундных импульсов. Сам по себе такой лазер даёт относительно длинные импульсы, более 150 фемтосекунд, которые требуют сильного сжатия, чтобы достичь режима в несколько циклов, необходимого для аттосекундных экспериментов. Такое интенсивное последующее сжатие обычно оставляет нежелательные спутниковые импульсы и искажённые фронты волны, ухудшающие качество пульса. Авторы направляют уже сжатые инфракрасные импульсы длительностью 4,7 фс в длинную газовую камеру, называемую полу-бесконечной газовой ячейкой. Внутри этого протяжённого объёма свет и газ взаимодействуют настолько сильно, что пучок перестраивается в процессе распространения, образуя тонкий яркий «филамент» света.

Как самоформирующийся световой филамент очищает и укорачивает импульсы

Когда условия настроены так, что пик мощности лазера близок к критическому значению, обусловленному газом, возникает баланс между тремя эффектами: естественным расходимостью пучка, фокусировкой, вызванной нелинейностью газа, и дефокусировкой, связанной с плазмой, возникающей при ионизации газа. Этот баланс даёт самоподдерживающийся филамент, сохраняющий размеры почти постоянными на протяжении нескольких миллиметров. Внутри этого узкого канала пик импульса испытывает слабое синее смещение — его спектр сдвигается в сторону более высоких частот — в то время как передние и задние части смещаются иначе. В сумме центральный всплеск импульса становится короче по времени и чище по пространству, сокращаясь с 4,7 до 3,5 фемтосекунд в аргоне. В то же время внешние, менее полезные части спектра рассеиваются и несут лишь небольшую долю энергии, оставляя хорошо управляемое ядро.

От чистых инфракрасных импульсов к изолированным аттосекундным вспышкам

В режиме филамента интенсивный, очищенный инфракрасный импульс генерирует крайний ультрафиолет через генерацию высоких гармоник, в которой электроны сначала освобождаются, затем возвращаются к своим родительским ионам и испускают излучение очень высокой частоты. Поскольку пучок одновременно сильно направлен и кратковременно сжат, условия для наработки этих гармоник выполняются лишь в очень коротком временном окне около пикового момента импульса. Это действует как естественный затвор, позволяющий сформироваться лишь одной аттосекундной вспышке вместо поезда импульсов. Измерения методом аттосекундного «стрекинга» показывают, что такой подход надёжно даёт яркие, изолированные импульсы: примерно 200 аттосекунд при 65 эВ в аргоне, 69 аттосекунд при 100 эВ в неоне и 65 аттосекунд при 135 эВ в гелии, все с хорошим качеством пучка и высоким контрастом.

Простой путь к практичным источникам аттосекунд

Исследование демонстрирует, что длинная газовая ячейка, работающая в режиме филаментации, одновременно может укорачивать, стабилизировать и пространственно очищать проблемный инфракрасный импульс, превращая его при этом в мощный источник изолированных аттосекундных вспышек. По сравнению с более сложными схемами, которые опираются на хитрые методы временной селекции или деликатную оптику, этот метод требует лишь сильного импульса в несколько циклов и правильно настроенной газовой ячейки. Поскольку он совместим с надёжными Yb-лазерами, которые уже широко используются в лабораториях и промышленности, подход с поддержкой филаментации предлагает практический путь к более доступным источникам аттосекундного света для исследования и, в конечном счёте, управления ультрабыстрыми процессами в материи.

Цитирование: Chien, YE., Fernández-Galán, M., Tsai, MS. et al. Filamentation-assisted isolated attosecond pulse generation. Nat Commun 17, 3501 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70903-4

Ключевые слова: аттосекундные импульсы, генерация высоких гармоник, лазерная филаментация, ультрабыстрая спектроскопия, полу-бесконечная газовая ячейка