Niet-lineaire optische toestanden worden afgedrukt op een elektronenbundel – Physics World

Niet-lineaire optische toestanden worden afgedrukt op een elektronenbundel – Physics World

Tijdstempel: 13 februari 2024 1:53 uur

<a href="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/nonlinear-optical-states-are-imprinted-on-an-electron-beam-physics-world-2.jpg" data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/nonlinear-optical-states-are-imprinted-on-an-electron-beam-physics-world-2.jpg" data-caption="Nonlinear effect: the photonic chip used in this study was mounted on a transmission electron microscope sample holder and packaged with optical fibres. (Courtesy: Yang et al./DOI: 10.1126/science.adk2489)”> Niet-lineaire optische chip
Niet-lineair effect: de in dit onderzoek gebruikte fotonische chip werd op een monsterhouder met transmissie-elektronenmicroscoop gemonteerd en verpakt met optische vezels. (Met dank: Yang et al./DOI: 10.1126/science.adk2489)

De interactie tussen vrije elektronen en niet-lineaire optische toestanden is door wetenschappers in Zwitserland en Duitsland gebruikt om een ​​elektronenbundel op maat te maken die zou kunnen worden gebruikt voor nieuwe soorten microscopie. Het team stond onder leiding van Yujia Yang bij EPFL.

Elektronenmicroscopen gebruiken gefocusseerde bundels vrije elektronen om beelden te maken met een veel hogere ruimtelijke resolutie dan optische instrumenten. Lasers die ultrakorte pulsen afgeven, stellen onderzoekers in staat fenomenen te bestuderen die zich op zeer korte tijdschalen voordoen. Beide technieken zijn al tientallen jaren zeer nuttig voor wetenschappers. Meer recentelijk hebben onderzoekers de twee technologieën gecombineerd om steeds krachtigere experimentele methoden te creëren die elektronenbundels op ultrakorte tijdschalen manipuleren.

Niet-lineaire mogelijkheden

Toch is er één bijzonder belangrijk gebied dat tot nu toe onaangetast is gebleven door deze nieuwste ontwikkelingen, legt Yang uit.

“Niet-lineaire optische verschijnselen zijn van het allergrootste belang in zowel wetenschap als technologie en hebben talloze doorbraken ingeluid. Het gebruik van niet-lineaire optische effecten om vrije elektronenbundels te controleren is echter zelden experimenteel onderzocht; noch is het gebruik van vrije elektronen om niet-lineaire dynamica te onderzoeken experimenteel onderzocht.”

Niet-lineaire effecten treden op wanneer licht de optische eigenschappen van een materiaal verandert, wat op zijn beurt invloed heeft op de manier waarop dat licht met het materiaal interageert. Dit gebeurt meestal bij hoge lichtintensiteiten – en in materialen zoals fotonische kristallen, die zo kunnen worden ontworpen dat ze specifieke niet-lineaire eigenschappen hebben.

Om niet-lineaire fotonica te combineren met elektronenmicroscopie, gebruikte Yangs team een ​​type fotonische microresonator waarvan bekend is dat deze een breed scala aan niet-lineaire optische effecten heeft. In het bijzonder verandert de brekingsindex van de microresonator naarmate de lichtintensiteit varieert.

Frequentie kam

Niet-lineaire effecten kunnen worden gebruikt om optische frequentiekammen te creëren. Dit zijn treinen van korte lichtpulsen met optische spectra bestaande uit pieken op gelijkmatig verdeelde frequenties – die lijken op de tanden van een kam.

“Dergelijke kammen zijn niet alleen intensief bestudeerd met betrekking tot de fundamentele spatiotemporele patroonvormingsdynamiek, maar ook technologisch in een steeds groeiend aantal toepassingen”, zegt Yang. “Nu koppelen we dergelijke niet-lineaire optische toestanden in microresonatoren aan de elektronenbundel in een elektronenmicroscoop.”

In hun experiment werd de microresonator op een chip geïntegreerd en aangedreven door een continue golflaser. Het apparaat creëerde frequentiekampulsen die dissipatieve Kerr-solitonen worden genoemd. Een elektronenmicroscoopstraal werd door een deel van de microresonator gestuurd, waar deze in wisselwerking stond met het licht. Dit veroorzaakte duidelijke kenmerken van kampulsen die op de elektronenbundel werden afgedrukt – kenmerken die het team kon waarnemen.

Kerr solitonen

Yang beschrijft hun succes als volgt: “we waren in staat dissipatieve Kerr-solitonen te genereren in situ, en spectraal elektronen identificeren die interactie hebben gehad met de femtoseconde solitonpuls. Bovendien onderzoeken we rechtstreeks de eigenschappen van soliton uit de elektronenspectra en halen we de kenmerkende kenmerken van solitonvorming op.”

Yang gelooft dat er op het onderzoek van het team zal worden voortgebouwd. "Ons werk ontsluit het potentieel om ultrasnelle voorbijgaande niet-lineaire optische dynamieken te onderzoeken met nanometer-femtoseconde spatiotemporele resolutie, en om directe toegang te krijgen tot het intracavitaire veld", legt hij uit. “Dit zou kunnen helpen bij het onderzoek en de ontwikkeling van belangrijke processen en componenten in niet-lineair geïntegreerde fotonica.”

Hun aanpak zou onderzoekers ook in staat kunnen stellen on-chip-apparaten te creëren die geheel nieuwe optische golfvormen genereren – wat nieuwe mogelijkheden zou bieden voor de geavanceerde controle van elektronen.

Bovendien zou het effect, door interacties tussen vrije elektronen en Kerr-solitonen op tijdschalen korter dan 100 fs te benutten, de elektronenmicroscopie naar kortere tijdschalen kunnen duwen zonder grote veranderingen in bestaande microscoopontwerpen.

Het onderzoek is beschreven in Wetenschap.

Tijdstempel:

Meer van Natuurkunde wereld