中佛罗里达大学通过工业级激光器产生阿秒激光

2020年8月21日来自美国中佛罗里达大学(简称UCF)的研究人员发表于Science Advances上研究表明,工业级激光器可用于产生阿秒激光脉冲。

阿秒科学彻底改变了我们观察微观世界随时间演变的方式,在微观世界中,物质的行为受量子力学规则的支配。使该领域发展成为可能的技术突破是基于超短激光脉冲的产生,这种脉冲只持续电磁波的几个周期振荡。这些短脉冲的聚焦强度相当于电子在原子和分子中经历的电场强度。阿秒科学领域最初是通过将强激光脉冲非线性压缩到两个光学周期以下而得以实现的。二十年后,要产生这样的短脉冲,仍然需要最先进的激光器,才能最有效地利用稀有气体中的“瞬时”光学非线性来进行频谱加宽和参数频率转换。激光通过在充满稀有气体(如氙气或氩气)的管中传播来制造阿秒科学所需的极短激光脉冲,以进一步在时间上压缩脉冲。UCF团队表明,在分子气体中驱动时,使用实质上比几个周期更长的脉冲时,非线性压缩可能是有效的,因为增强了非线性。增强的光学非线性与旋转对准相关。

中佛罗里达大学通过工业级激光器产生阿秒激光
激光照射在充满稀有气体的管中,UCF研究人员在该管中产生阿秒脉冲。图片来源:中佛罗里达大学(UCF)。

中佛罗里达大学(简称UCF)物理系助理教授,该研究的主要研究人员Michael Chini表示阿秒科学的主要挑战之一是它依赖于世界一流的激光设备并且需要大型的实验室设备和洁净的实验环境。” UCF作为全美排名第二的最大的大学和全美三大光学中心之一,拥有一个实验室,全世界其他地方拥有另外十二个实验室但是遗憾的是,由于阿秒科学成本高昂导致其他领域的科学家不能跨学科将其用于研究。

为了突破阿秒科学应用瓶颈降低其成本,研究人员使用分子气体(如氧化亚氮)替代惰性气体作为空芯光纤脉冲压缩器,并改变它们通过气体发出的脉冲的长度,来压缩来自工业级激光器的大约100个周期的脉冲。研究人员通过实验证明来自工业级激光器的80周期脉冲可以同时驱动分子排列和气体填充的管中的超连续光谱产生,从而实现了超过45倍的压缩,压缩时间为1.6个周期。研究人员认为这种技术可以实现单周期脉冲。Michael Chini表示他们的研究表明工业级激光器现在可以用来产生阿秒脉冲,这种可产生阿秒脉冲的工业级激光器大约花10万美元就可以从几十个供应商处购得。并且设置很简单,可以与各种具有不同参数的激光器一起使用。

该论文一作John E. Beetar(UCF物理系博士生)说:“气体的选择和脉冲的持续时间是关键”同时,他表示如果试管中充满了分子气体,特别是线性分子气体,由于分子倾向于与激光场对准,便可以增强压缩脉冲的效果,但只有当脉冲足够长时,这种对准引起的增强才会出现。并且由于旋转对准的时间取决于分子的惯性,当气体的旋转对准时间与激光脉冲的持续时间一致时,其增强效果将达到最大化。

阿秒科学的工作原理有点像小型化的声纳或3D激光测绘,当一个阿秒光脉冲入射到一种材料介质时,与材料中电子的相互作用使脉冲变形。研究人员便可以通过测量这些畸变,来构建电子的图像及电子运动的轨迹。阿秒精度的测量能力使研究人员能够研究原子和分子内部电子在自然时间尺度上的快速运动。

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测量这种快速运可以可以帮助研究人员深入了解光与物质之间的相互作用,从而为太阳能发电、探测化学、生物武器以及医疗诊断等工作提供信息。商业、工业级激光的使用可以使阿秒科学更容易获得,并使几乎没有激光背景的科学家能够进行跨学科应用。[江苏激光产业技术创新战略联盟]

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