Icke-linjära optiska tillstånd är präglade på en elektronstråle – Physics World

Icke-linjära optiska tillstånd är präglade på en elektronstråle – Physics World

Tidsstämpel: 13 februari 2024 1:53

<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)"> Icke-linjärt optiskt chip
Icke-linjär effekt: det fotoniska chipet som användes i denna studie monterades på en provhållare för transmissionselektronmikroskop och förpackades med optiska fibrer. (Med tillstånd: Yang et al./DOI: 10.1126/science.adk2489)

Interaktionen mellan fria elektroner och olinjära optiska tillstånd har använts av forskare i Schweiz och Tyskland för att skräddarsy en elektronstråle som skulle kunna användas för nya typer av mikroskopi. Laget leddes av Yujia Yang på EPFL.

Elektronmikroskop använder fokuserade strålar av fria elektroner för att ta bilder med mycket högre rumslig upplösning än optiska instrument. Lasrar som levererar ultrakorta pulser tillåter forskare att studera fenomen som inträffar på mycket korta tidsskalor. I årtionden har båda teknikerna varit mycket användbara för forskare. På senare tid har forskare kombinerat de två teknologierna för att skapa allt kraftfullare experimentella metoder som manipulerar elektronstrålar på ultrakorta tidsskalor.

Icke-linjära möjligheter

Ändå finns det ett särskilt viktigt område som hittills har gått orört av dessa senaste framsteg, som Yang förklarar.

"Icke-linjära optiska fenomen är av största vikt inom både vetenskap och teknik och har förebådat många genombrott. Användningen av olinjära optiska effekter för att kontrollera fria elektronstrålar har emellertid sällan studerats experimentellt; inte heller har användningen av fria elektroner för att undersöka olinjär dynamik undersökts experimentellt."

Icke-linjära effekter uppstår när ljus ändrar de optiska egenskaperna hos ett material, vilket i sin tur påverkar hur ljuset interagerar med materialet. Detta inträffar vanligtvis vid höga ljusintensiteter – och i material som fotoniska kristaller, som kan konstrueras för att ha specifika olinjära egenskaper.

För att kombinera olinjär fotonik med elektronmikroskopi använde Yangs team en typ av fotonisk mikroresonator som är känd för att ha en mångfald av olinjära optiska effekter. I synnerhet ändras mikroresonatorns brytningsindex när ljusintensiteten varierar.

Frekvenskam

Icke-linjära effekter kan användas för att skapa optiska frekvenskammar. Dessa är tåg av korta ljuspulser som har optiska spektra som består av spikar med jämnt fördelade frekvenser – som liknar tänderna på en kam.

"Sådana kammar har studerats intensivt, inte bara med avseende på grundläggande spatiotemporal mönsterbildningsdynamik, utan också tekniskt i ett ständigt växande antal tillämpningar", säger Yang. "Nu kopplar vi sådana olinjära optiska tillstånd i mikroresonatorer med elektronstrålen i ett elektronmikroskop."

I deras experiment integrerades mikroresonatorn på ett chip och drevs av en kontinuerlig våglaser. Enheten skapade frekvenskampulser som kallas dissipativa Kerr-solitoner. En elektronmikroskopstråle sändes genom en del av mikroresonatorn, där den interagerade med ljuset. Detta orsakade distinkta egenskaper hos kampulser som trycktes på elektronstrålen – egenskaper som teamet kunde observera.

Kerr-solitoner

Yang beskriver deras framgång, "vi kunde generera försvinnande Kerr-solitoner in situ, och spektralt identifiera elektroner som har interagerat med femtosecond soliton-pulsen. Dessutom undersöker vi direkt solitonegenskaperna från elektronspektra och hämtar kännetecken för solitonbildning."

Yang tror att lagets forskning kommer att byggas på. "Vårt arbete låser upp potentialen att undersöka ultrasnabb transient ickelinjär optisk dynamik med nanometer–femtosekunder spatiotemporal upplösning och direkt tillgång till intrakavitetsfältet," förklarar han. "Detta kan hjälpa undersökningen och utvecklingen av nyckelprocesser och komponenter i olinjär integrerad fotonik."

Deras tillvägagångssätt kan också tillåta forskare att skapa on-chip-enheter som genererar helt nya optiska vågformer – vilket skulle erbjuda nya möjligheter för avancerad styrning av elektroner.

Dessutom, genom att utnyttja interaktioner mellan fria elektroner och Kerr-solitoner på tidsskalor kortare än 100 fs, kan effekten driva elektronmikroskopi till kortare tidsskalor utan några större förändringar av befintliga mikroskopdesigner.

Forskningen beskrivs i Vetenskap.

Tidsstämpel:

Mer från Fysikvärlden