En este trabajo exploramos un nuevo enfoque teórico para mejorar la compresión de pulsos láser ultracortos en fibras huecas rellenas de gas. Estos pulsos son esenciales en la ciencia ultrarrápida, donde se utilizan para estudiar dinámicas atómicas y moleculares en intervalos de tiempo extremadamente cortos. Sin embargo, comprimir estos pulsos a duraciones muy breves sin que aparezcan estructuras secundarias (pre-pulsos y/o post-pulsos) relevantes es un desafío técnico considerable.
Para enfrentar este reto, aplicamos un método llamado «propagación no lineal inversa», que nos permite predecir la forma ideal del pulso de entrada para lograr un pulso comprimido óptimo a la salida. La clave de este enfoque es que, en lugar de diseñar directamente el pulso de entrada, simulamos cómo sería un pulso ideal a la salida y revertimos su propagación en la fibra para determinar qué características debe tener el pulso inicial.
El proceso de compresión de pulsos normalmente implica utilizar un capilar hueco relleno de gas en el que se acopla un pulso láser para ensanchar su espectro durante la propagación debido, principalmente, a la auto-modulación de fase, un efecto no lineal que genera nuevas frecuencias de manera muy eficaz. Luego, la fase del nuevo espectro obtenido a la salida del capilar se ajusta en un compresor externo, compuesto por elementos dispersivos, para acortar la duración temporal del pulso. El problema es que los pulsos comprimidos suelen presentar estructuras secundarias no deseadas, como picos adicionales que distorsionan la forma del pulso. Nuestro método permite diseñar un pulso de entrada que minimice o elimine estas estructuras secundarias.
Uno de los descubrimientos más interesantes es que el pulso ideal que predice la técnica de propagación inversa tiene un perfil característico: su espectro siempre presenta pequeñas modulaciones en torno al pico principal. Nuestras simulaciones demuestran que estas modulaciones espectrales iniciales permiten compensar los efectos no lineales que ocurren dentro del capilar durante la propagación del pulso para producir el pulso limpio a la salida.
El método de propagación inversa no es nuevo, pero su aplicación en este contexto presenta desafíos particulares debido a las pérdidas de energía elevadas de las fibras huecas y a las simetrías de la ecuación que describe la propagación no lineal de pulsos ultracortos. A pesar de estas complicaciones, demostramos que es posible revertir numéricamente la propagación del pulso y predecir de manera precisa las características del pulso de entrada necesario para obtener una compresión óptima.
Además, nuestro estudio resalta la gran sensibilidad del proceso de compresión a pequeños cambios en el perfil de fase y la amplitud del pulso de entrada. Incluso ligeras variaciones en la fase o amplitud inicial pueden llevar a resultados significativamente diferentes en la salida, lo que subraya la importancia de controlar ambos aspectos en el diseño de experimentos.
En resumen, este trabajo propone una nueva herramienta teórica que puede guiar el diseño de experimentos de compresión de pulsos ultracortos en laboratorios. Si bien aún es necesario validar experimentalmente algunos de nuestros resultados, creemos que este método abre la puerta a generar pulsos ultracortos y limpios que podrían mejorar aplicaciones en espectroscopía ultrarrápida, física de campos intensos y otras áreas de la ciencia ultrarrápida.
Más información en:
F. Galán, E. C. Jarque, and J. San Roman, “Reverse design of the ideal pulse for hollow capillary fiber post-compression schemes,” Phys. Rev. Res. 6(2), 023111 (2024). https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.6.023111
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