En las últimas décadas, los pulsos láser ultracortos han revolucionado nuestra manera de estudiar el mundo microscópico a través de la interacción de la luz coherente con la materia. La generación y manipulación de estos campos electromagnéticos efímeros nos permite acceder a los fenómenos atómicos más rápidos de la naturaleza, que suceden en la escala de tiempo de los femto a los attosegundos (10^-15-10^-18 s). El rápido avance de la tecnología láser ha permitido, en los últimos años, sintetizar pulsos infrarrojos con duraciones sub-ciclo, en los que la estructura más intensa del campo eléctrico de la luz apenas tiene tiempo de completar una oscilación a su frecuencia central. Estos pulsos proporcionan una herramienta única para explorar el movimiento de los electrones en átomos y moléculas, pero su generación todavía está limitada a montajes extremadamente costosos y complejos.

Recientemente, demostramos que estos pulsos sub-ciclo pueden obtenerse de forma mucho más sencilla en sistemas rutinarios basados en la propagación de la luz a través de fibras huecas rellenas de gas con un gradiente de presión decreciente. Esta propuesta se basa en un fenómeno sorprendente de la óptica no lineal, conocido como auto-compresión solitónica, por el que un pulso láser intenso puede, por sí solo, ensanchar y organizar simultáneamente su espectro de frecuencias, reduciendo casi al límite su duración. Siguiendo unas reglas de escala para diseñar los parámetros de la fibra y del pulso de entrada, esta técnica permite generar pulsos sub-ciclo infrarrojos de muy buena calidad.

No contentos con alcanzar duraciones de apenas un femtosegundo, en nuestro último trabajo, realizado en colaboración con investigadores del Politecnico di Milano y la Heriot-Watt University, hemos explorado la aplicación de estos campos sub-ciclo para generar pulsos láser aún más cortos en el régimen de los attosegundos. Para ello, hemos aprovechado el fenómeno de generación de armónicos de orden alto, que surge de la interacción de un pulso infrarrojo intenso con los átomos de un gas. Cuando la interacción se realiza con un láser convencional, este proceso funciona como una cadena de producción de pulsos de attosegundo en el ultravioleta extremo, dando lugar a una serie de destellos de luz que se suceden a intervalos de tiempo regulares. Sin embargo, si la interacción la realiza uno de nuestros anteriores pulsos sub-ciclo, el proceso de generación de armónicos se confina de manera natural a un único evento, lo que resulta en la emisión directa de un pulso de attosegundo aislado. Estos pulsos ultravioletas solitarios constituyen una herramienta muy codiciada en aplicaciones de ciencia ultrarrápida donde se necesita un control muy preciso y una gran resolución temporal.

Así, nuestro estudio abre las puertas a una nueva generación de sistemas compactos basados en fibras en los que, partiendo de un pulso láser infrarrojo estándar, se combinan por primera vez su auto-compresión extrema hasta el régimen sub-ciclo y su aplicación directa para generar pulsos de attosegundo aislados en el ultravioleta extremo.

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1. F. Galán, J. Serrano, E. C. Jarque, R. Borrego-Varillas, M. Lucchini, M. Reduzzi, M. Nisoli, C. Brahms, J. C. Travers, C. Hernández-García, and J. San Roman, “Robust isolated attosecond pulse generation with self-compressed sub-cycle drivers from hollow capillary fibers,” ACS Photonics 11(4), 1673-1683 (2024).

https://doi.org/10.1021/acsphotonics.3c01897

Caracterizar temporalmente pulsos láser ultracortos (en la escala del femtosegundo, i.e., 10^-15 segundos) es como reconstruir la escena de un crimen: los pulsos de luz son tan rápidos que no podemos pillarlos in fraganti, sólo podemos reconstruirlos a partir de las pistas que nos dejan.

Típicamente se trabaja con pulsos escalares polarizados linealmente, en los que el estado de polarización es constante en el tiempo (la polarización hace referencia a la trayectoria que describe la luz en el plano transversal). Para identificar a este tipo de pulsos, se necesita conocer su amplitud o intensidad y su fase. Existe otro tipo de pulsos en los que la polarización varía temporalmente, conocidos como pulsos vectoriales. Éstos son más complejos que los escalares, y necesitamos conocer la amplitud y fase de sus dos componentes, y la fase relativa entre ellas. Si identificar un pulso escalar es equivalente a identificar a un criminal, conocer un pulso vectorial sería equivalente a conocer a una banda compuesta por dos criminales, y, además, la relación que existe entre ellos.

Un tipo de técnicas de caracterización se basan en medir el espectro de una señal no lineal mientras el pulso sufre algún tipo de modificación. En la técnica amplitude swing (a-swing), desarrollada por investigadores del grupo ALF, se generan dos réplicas del pulso a medir, retardadas temporalmente entre sí, y se mide el espectro de segundo armónico (se dobla la frecuencia) para distintas amplitudes relativas de dichas réplicas. Así, se obtiene una traza bidimensional (un mapa en el que el color representa la intensidad), que es como una huella dactilar del pulso. En algunas técnicas se dan ambigüedades, es decir, dos pulsos distintos generan la misma traza, como si dos personas tuvieran la misma huella dactilar. Mediante algoritmos, se pueden extraer la información del pulso que genera la traza (nuestra pista).

La mayoría de las técnicas sólo permiten caracterizar pulsos escalares. Si queremos reconstruir un pulso vectorial con una de estas técnicas necesitamos varias trazas, es decir, varias huellas. Por el contrario, una única traza de a-swing contiene la información necesaria para identificar un pulso vectorial. Además, estas trazas se obtienen con un montaje en línea, compacto y versátil.

En este trabajo, analizamos las trazas de a-swing analítica y numéricamente para estudiar cómo se codifica la información de los pulsos vectoriales, y desarrollamos una estrategia para extraerla. Ésta se aplica a trazas simuladas y experimentales, demostrando que se puede reconstruir un pulso vectorial a partir de su traza a-swing. Si no quieren ser cazados, deberán evitar dejar este tipo de huellas…

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Los destellos de luz más rápidos que podemos producir de forma controlada no duran mas que unas cuantas trillonésimas de segundo o, lo que es lo mismo, unos cuantos attosegundos. Con ellos podemos observar cómo se desarrollan los procesos electrónicos en los átomos y moléculas. La attofísica ha emergido como un nuevo ámbito en el estudio de la naturaleza, pero ¿cómo hemos llegado hasta aquí? Este artículo narra el esfuerzo colectivo para llegar a producir pulsos de luz de duraciones progresivamente más cortas, merecedor del Premio Nobel de Física del año 2023. Una apasionante historia jalonada de hitos, cambios de paradigma e inspiración que nos proporciona un nuevo relato sobre el apasionante desarrollo del progreso científico. 

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L. Plaja, «Attociencia», Revista Española de Física 37-4, 49 (2023)