Dùng trường laser hai màu tạo ra các xung atto giây tách biệt

Phổ laser phân giải thời gian cực nhanh là một kĩ thuật sử dụng sự tương tác của ánh sáng với vật chất để nghiên cứu tính chất của các hệ vật lí. Các nhà nghiên cứu có thể tạo ra những xung laser kéo dài chỉ hàng atto giây – phần tỉ tỉ của giây – để khảo sát cơ chế động lực học hạt nhân trong những trạng thái khác nhau của vật chất, kể cả các đơn nguyên tử.

Hình minh họa ánh sáng phát ra từ hai laser. Ảnh: iStockphoto/RapidEye

Việc tạo ra các xung atto giây tách biệt một cách xác thực đang là một thử thách. Thông thường, các nhà vật lí sử dụng các xung laser vài chu kì với bước sóng hồng ngoại gần làm máy bơm để ion hóa những nguyên tử nhất định theo cơ chế ion hóa xuyên hầm (thường là các nguyên tử khí trơ). Theo đó, một electron chịu ảnh hưởng của thế hiệu dụng, xuyên hầm ra vùng tự do, sau đó trở lại kết hợp với ion mẹ và phát ra sóng ánh sáng với tần số cao hơn nhiều so với tần số ở laser bơm vào. Đó gọi là “sự phát xạ sóng hài bậc cao” (viết tắt là HHG), vì vậy, kết quả là ta thu được laser trong vùng tử ngoại ngắn, tạo ra một xung atto giây.

Eiji Takahashi cùng các đồng nghiệp của ông tại Viện Khoa học Cao cấp RIKEN ở Wako, Nhật Bản, hợp tác với các nhà khoa học tại trường Đại học Công nghệ Vienna, Áo, vừa báo cáo một phương pháp dễ dàng tạo ra các xung atto giây tách biệt, vượt trội hơn mọi nỗ lực trước đây vì tính đơn giản và tính xác thực của nó.

Một số nhóm nghiên cứu trong thời gian gần đây đã tạo ra được những xung laser tách biệt ngắn cỡ 80 atto giây. Tuy nhiên, năng lượng của chúng vẫn quá thấp để sử dụng trong thực tiễn, vì năng lượng của các xung bơm bị hạn chế. Năng lượng bơm cao sẽ gây ra sự ion hóa chất khí cao độ sao cho các nguyên tử bị va chạm bởi các xung bơm sẽ bị ion hóa cao, nhưng điều này sẽ cản trở toàn bộ quá trình tái va chạm. Ngoài ra, để đảm bảo sự sản sinh xác thực của các xung atto giây tách biệt, thì pha của sóng mang đi liền với xung bơm cần phải được ổn định hóa, điều đó đòi hỏi một quá trình phức tạp và tốn kém.

Để khắc phục những hạn chế này, Takahashi và các cộng sự đã sử dụng một trường laser hai màu: một laser bơm với bước sóng 800 nm chồng lên một laser 1300 nm. Sự kết hợp của hai laser này cho phép tạo ra một phổ điều hòa cao hơn mà không cần ổn định hóa pha sóng mang.

Điều quan trọng là họ sử dụng các laser thông thường có sẵn trên thị trường và giá cả không đắt. “Cách phối hợp laser hai màu mới lạ như thế này còn cho phép người ta khử đi rõ rệt sự ion hóa bia chất khí không có lợi”, Takahashi lưu ý.

Takahashi còn cho biết phương pháp này có tiềm năng tạo ra các xung tia X, tia tử ngoại cực ngắn, tách biệt, vào hàng atto giây với năng lượng megajoule từ một hệ thống kiểu để bàn. Ông tin rằng điều này sẽ mở ra cánh cửa sang địa hạt của khoa học atto giây phi tuyến cao.

Nguồn: RIKEN, PhysOrg.com