Tim sa Techniona je prvi put direktno odredio trajanje pojedinačnih bright squeezed vacuum (BSV) impulsa i izmerio prosečno trajanje od 27,2 femtosekunde (FWHM). Eksperiment je koristio single-shot spektralnu interferometriju pri 1040 nm i uporedio svaki BSV puls sa potpuno rekonstruisanim referentnim pulsom. Analizom 1.009 jednovrhunskih spektra iz 16.000 snimaka zabeležena je i π-fazna dvojnost i značajna varijabilnost trajanja (σ = 5,5 fs). Metoda omogućava praćenje ultrabrze dinamike impuls-po-impulsu i otvara nova vrata za atosekundnu nauku i ekstremnu optiku.
Pojedinačni kvantni svetlosni impulsi traju samo 27,2 fs — novo merenje tima sa Techniona
A visual illustration of a bright squeezed vacuum—a quantum state of light characterized by an exceptionally high level of noise—as it interferes with a regular laser pulse at a beam splitter. By recording the resulting interference patterns, the real-time characteristics of the laser pulse can be reconstructed. (CREDIT: Dr. Michael Krüger, Yuval Kern, Ido Nisim, and Dr. Adi Goldner)
Naučnici sa Techniona prvi put su direktno izmerili trajanje pojedinačnih impulsa bright squeezed vacuum (BSV) i utvrdili da prosečan puls traje oko 27,2 femtosekunde (FWHM). Iako je BSV »tehnički prazan« jer mu je prosečno električno polje nula, pojedinačne kvantne fluktuacije mogu dati impulse ekstremne jačine — u nekim snimcima i do 10^12 fotona.
Kako su izmerili
Tim predvođen dr Michaelom Krügerom i doktorandom Yuvalom Kernom generisao je BSV na centralnoj talasnoj dužini od 1040 nm pomoću jako pumpanog neseedovanog optičkog parametarskog pojačavača, pri čemu je kao pumpa korišćen 515 nm drugi harmonik Yb-lazera (iz 1030 nm sistema). Za vremensku karakterizaciju primenjena je single-shot spektralna interferometrija: svaki BSV puls interferirao je sa stabilnim, potpuno rekonstruisanim referentnim pulsom širokog spektra, a iz gusto isprepletenih spektralnih pruga izvlačena je amplituda i relativna faza svakog snimka.
Dr. Michael Krüger (left) and Ph.D. student Yuval Kern. (CREDIT: Technion)
Rezultati
Od ukupno 16.000 registrovanih snimaka, autori su detaljno analizirali 1.009 spektra sa jednim vrhom koji su imali dobru preklapanost sa referentnim pulsom. Dobijeni rezultati: prosečno trajanje pulsa 27,2 fs (FWHM), transformaciono ograničeno trajanje povezano sa prosečnim spektrom 19,3 fs, i standardna devijacija među snimcima 5,5 fs. BSV pulsi su takođe bili znatno kraći od 178 fs izlaznog impulsa laserskog sistema i od procenjenih 126 fs trajanja pump-pulsa — što autori objašnjavaju eksponencijalnim pojačavanjem koje koncentrira emisiju blizu vrha pump-envelope.
Fazna dvojnost i statistika
Interferencijski podaci su otkrili karakterističnu π-radijansku faznu dvojnost: pojačani vakuum može ispasti u jednoj od dve moguće fazne relacije, što je vidljivo u obrascima pruga. U nizu od 200 pulsa dve faze su se pojavljivale u odnosu 105:95, što je u skladu sa nasumičnošću kvantnog vakuuma. Istraživači su takođe prijavili čestu nodalnu strukturu u prugama, povezanu sa zajedničkim frekvencijskim nulama među snimcima.
Illustration of bright squeezed vacuum (BSV). (a) Illustration of the electric field and its fluctuations for a “classical” (coherent-state) state laser pulse. Red curve: Average electric field. (b) The same for BSV. (CREDIT: Optica)
Zašto je to važno
BSV se kvantno-statistički znatno razlikuje od koherentnog laserskog svetla: retki snimci sa veoma visokim brojem fotona mogu pretežno doprineti nelinearnim procesima. Potpuna vremenska karakterizacija pojedinačnih impulsa omogućava napredne eksperimente u atosekundnoj nauci i ekstremnoj optici — posebno za proučavanje ultrabrze dinamike elektrona i nelinearnih efekata koji zavise od visokih fotonskih brojeva po pulsu.
Ograničenja
Autori ističu da metoda zavisi od verodostojne rekonstrukcije referentnog pulsa (FROG) i da sistemske greške u toj rekonstrukciji mogu da utiču na rezultate. Takođe, analiza je fokusirana samo na jednovrhunske spektralne oblike; komplikovaniji spektri ostaju izvan obuhvata ove studije.
Single-shot spectral interferometry with BSV. (a) Typical single-shot spectral interferogram at a delay of 3.05 ps. (b) Modulation spectrum displaying the interference fringes and the BSV’s nodal structure plotted for a sequence of 200 shots. We normalized the fringes and subtracted the DC offset at a frequency of 286 THz. (c) Color plot of the modulation spectrum for a sequence of 36 shots out of the 200 shots in (b). (CREDIT: Optica)
Zaključak
Ovo merenje predstavlja važan korak ka direktnom, shot-by-shot praćenju električnog polja BSV impulsa u vremenu. Metoda otvara mogućnosti za detaljnije ispitivanje kako kvantna svetlost utiče na ekstremne nelinearne procese i na eksperimente koji prelaze konvencionalne granice oštećenja materijala.
Rad je objavljen u časopisu Optica.
Pomozite nam da budemo bolji.
