Attociencia en Colorado

El científico español Carlos Hernández García cuenta sus experiencias en uno de los principales centros de investigación de Física del mundo, el Joint Institute for Laboratory Astrophysics (JILA) de la Universidad de Colorado (Estados Unidos).
Attociencia en Colorado 29 enero, 2014

Acordes de luz

En esta cuarta entrada vamos a analizar una de las características peculiares de los pulsos de luz ultracortos: su chirp. La palabra inglesa chirp se traduce como “trino” o glissando, y hace referencia a la emisión de un sonido cuya frecuencia aumenta o disminuye en el tiempo, tal y como ocurre en el trino del canto de los pájaros, o en el glissando interpretado por un violinista. Sin embargo, los investigadores españoles de pulsos ultracortos y láseres intensos nos hemos acostumbrado a utilizar directamente la palabra chirp, incluso habitualmente utilizamos el verbo “chirpear”1.

4_1_chirp

Figura 1. El trino (en el canto) de un pájaro, el glissando interpretado por un violinista y el chirp de los pulsos de attosegundo hacen referencia al mismo concepto: emisión de un sonido cuya frecuencia aumenta o disminuye en el tiempo.

¿Por qué es importante el chirp en los pulsos ultracortos de attosegundo?

Para dar respuesta a esta pregunta, es necesario introducir previamente el principio de indeterminación entre la frecuencia y el tiempo de los pulsos ultracortos: un pulso corto o breve de luz está compuesto de varias frecuencias (o colores), de manera que será más corto cuantas más frecuencias (o colores) contenga. En el otro extremo, un haz de luz de una sola frecuencia (o color), se emite de forma continua. En la figura 2 podemos ver un ejemplo en el que se intuye que cuantos más colores o frecuencias coexistan, más corto será el pulso de luz. Por ello, para obtener pulsos ultracortos de attosegundo es necesario generar un intervalo muy grande de frecuencias, tal y como ocurre en el proceso de generación de armónicos de orden elevado (HHG), visto en la entrada anterior.

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Figura 2. Principio de indeterminación entre la frecuencia y el tiempo: cuantas más frecuencias (o colores) contenga un pulso láser, más breve será el pulso temporal. En esta figura se ilustra este concepto mediante ondas de luz de distintas frecuencias (colores), de modo que la superposición nos da una idea de la duración temporal del conjunto. En el caso hipotético en el que sólo tuviéramos una frecuencia, el pulso sería infinitamente largo, es decir, la emisión de luz sería continua.

El chirp hace referencia al orden en que se emiten las frecuencias dentro de un pulso de luz. Para entenderlo, comparemos un pulso ultracorto con un acorde musical. Del mismo modo que el pulso de luz contiene varias frecuencias, el acorde está compuesto de diversas notas musicales. Supongamos que todas las notas del acorde duran lo mismo. Resulta sencillo intuir que si todas ellas se emiten a la vez, la duración del acorde será menor que si se emite una detrás de otra, es decir, “con chirp”. De este modo, decimos que el chirp mide el retraso con que se emiten unas frecuencias respecto a las otras en un pulso de luz ultracorto.

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Figura 3. Símil entre un acorde musical y un pulso de luz para ilustrar el efecto del chirp. En el caso central en el cual las notas del acorde (frecuencias o colores del pulso) son emitidas todas a la vez, la duración temporal de éste es la más breve posible. Si las notas son emitidas una detrás de otra en sentido ascendente (izquierda) o descendente (derecha), tendremos un chirp positivo o negativo respectivamente, de manera que el pulso de luz tiene una duración temporal mayor.

Si se emiten primero las notas graves del acorde, tendremos un chirp positivo; si lo hacen primero las agudas, tendremos un chirp negativo. Traducido a pulsos de luz, cuando el chirp es positivo se emiten primero las frecuencias bajas (colores rojos) que las altas (colores violetas); si es positivo, en sentido inverso.

El chirp es un parámetro que adquiere especial relevancia en la Attociencia, puesto que el proceso de generación de harmónicos de orden elevado (HHG) produce directamente pulsos de attosegundo “chirpeados”. Además, estos pulsos son tales que la parte delantera de los mismos tiene un chirp positivo, mientras que la trasera, un chirp negativo. De este modo, su duración temporal no será la más corta posible obtenida si no tuviesen chirp. Actualmente, diversos laboratorios punteros en Attociencia aúnan sus esfuerzos para controlar, e incluso eliminar, el chirp de los pulsos de attosegundo, para obtener los pulsos ultracortos más breves posibles.

1 Los términos “chirp” o “chirpear” y “glissando” no están aceptados en la Real Academia Española.
2 Puede encontrar una descripción más rigurosa y detallada del chirp de los pulsos ultracortos en el curso “Ultrafast Optics course” del Prof. Rick Trebino.

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