Joyas de plata de ley, oro rosa con diseños exclusivos, anillos, pendientes, pulseras… ¿de luz? Cual taller de alta bisutería, el grupo de investigación en Aplicaciones del Láser y Fotónica de la Universidad de Salamanca (ALF-USAL) centra sus esfuerzos en diseñar joyas de luz mediante la óptica no lineal. Joyas, no solo por su belleza en forma de láseres de alta frecuencia, sino por su utilidad para observar y controlar procesos aún desconocidos en la naturaleza. Y es que, el diseño de haces de luz láser coherentes y de alta frecuencia (hacia los rayos X) se ha convertido en una herramienta única para acceder a procesos que tienen lugar en tamaños muy pequeños (nanómetros) y en tiempos muy breves (trillonésimas de segundo).

La colaboración teórico-experimental entre los grupos ALF-USAL y el de los Profs. Murnane y Kapteyn de la Universidad de Colorado en Boulder (EE.UU.) viene desarrollando alta bisutería durante los últimos años. Tras generar anillos de alta frecuencia con propiedades nunca vistas hasta la fecha (ver referencias [1,2]), los investigadores han ido un paso más allá, adentrándose en el mundo de los collares. El diseño de un láser infrarrojo en forma de collar de perlas permite variar la frecuencia y la divergencia (o tamaño espacial) de los rayos X que se producen tras el proceso no lineal de generación de armónicos de orden alto. En este trabajo, publicado en la revista Science Advances, los investigadores demuestran además, que mediante el número de “perlas” del collar se puede calibrar el contenido espectral de estos láseres de rayos X. Un paso más en la alta bisutería con láseres que intenta ayudar a entender los procesos más breves de la naturaleza.

Más información en:

“Necklace-structured high harmonic generation for low-divergence, soft X-ray harmonic combs with tunable line spacing”, Laura Rego, Nathan J. Brooks, Quynh L. D. Nguyen, Julio San Román, Iona Binnie, Luis Plaja, Henry C. Kapteyn, Margaret M. Murnane, Carlos Hernández-García, Science Advances 8, eabj7380 (2022).

Referencias:

[1] “Generation of extreme-ultraviolet beams with time-varying orbital angular momentum”, Laura Rego, Kevin M Dorney, Nathan J Brooks, Quynh Nguyen, Chen-Ting Liao, Julio San Román, David E Couch, Allison Liu, Emilio Pisanty, Maciej Lewenstein, Luis Plaja, Henry C Kapteyn, Margaret M Murnane, Carlos Hernández-García,   Science 364, eaaw9486 (2019).

[2] “Controlling the polarization and vortex charge of attosecond high-harmonic beams via simultaneous spin-orbit momentum conservation”, Kevin M. Dorney, Laura Rego, Nathan J. Brooks, Julio San Román, Chen-Ting Liao, Jennifer L. Ellis, Dmitriy Zusin, Christian Gentry, Quynh L. Nguyen, Justin. M. Shaw, Antonio Picón, Luis Plaja, Henry C. Kapteyn, Margaret M. Murnane, Carlos Hernández-García, Nature Photonics 13, 123–130 (2019).

A pesar de tener una vida extremadamente corta, de tan solo unas milbillonésimas de segundo, los pulsos láser de femtosegundo se han convertido en una herramienta indispensable en numerosos ámbitos de la ciencia y la tecnología, ya que permiten explorar las propiedades más fundamentales de la materia en escalas de tiempo ultrarrápidas.

Generar estos pulsos de luz tan cortos de forma controlada y con buena calidad no es tarea fácil, y en los últimos años se han propuesto diversas estrategias. La idea principal consiste en generar un espectro de luz muy ancho, compuesto por muchas frecuencias, mediante procesos no lineales a partir de uno más estrecho para, a continuación, corregir su fase haciendo que todas las frecuencias se sincronicen dando lugar a un pulso ultracorto. Una forma muy extendida para conseguir este gran ensanchamiento espectral es propagar un pulso de luz inicial por el interior de una fibra cilíndrica hueca rellena de un gas. En ese caso, uno de los parámetros que más influyen en la propagación es la presión del gas, que permite sintonizar de forma continua la dispersión y la intensidad de los efectos no lineales experimentados por el pulso. En particular, si los parámetros de la fibra y del gas se escogen cuidadosamente, es posible lograr que el pulso incidente ensanche su espectro al mismo tiempo que corrige su fase debido a la interacción entre los procesos lineales y no lineales. De esta forma el pulso reduce su duración por sí solo, en un proceso conocido como auto-compresión solitónica.

Normalmente, estos experimentos se llevan a cabo manteniendo el gas a presión constante, rellenando la fibra de forma homogénea. Sin embargo, en uno de nuestros últimos estudios hemos demostrado que aplicar un gradiente de presión decreciente, que haga que la concentración de gas se reduzca gradualmente durante la propagación, puede mejorar la calidad de los pulsos auto-comprimidos y reducir su duración aún más que la presión constante.

Puedes consultar todos los detalles de este trabajo en:

F. Galán, E. C. Jarque, and J. San Roman, Optimization of pulse self-compression in hollow capillary fibers using decreasing pressure gradients, Optics Express 30(5), 6755–6767 (2022). https://doi.org/10.1364/OE.451264