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中佛罗里达大学科学家利用工业级激光器生成阿秒激光

阿秒是一秒的十亿分之一,1飞秒=1000阿秒,精确到一阿秒的测量能力使研究人员能够在原子和分子的自然时间尺度上研究电子的快速运动。

测量这种快速运动可以帮助研究人员了解光如何与物质相互作用的基本方面,从而为获取太阳能发电、探测化学和生物武器、进行医疗诊断等工作提供信息。

今天发表在《科学进展》(Science Advances)杂志上的一项新研究,中佛罗里达大学的研究人员详细介绍了他们是如何帮助开拓阿秒科学领域的。

中佛罗里达大学物理系副教授、研究主要负责人迈克尔·奇尼表示:“阿秒科学研究所面临的主要挑战之一就是它依赖于世界一流的激光设备,我们很幸运在中佛罗里达大学有一个,而且全世界可能还有12个。但不幸的是,它们都不是真正的‘用户设施’,其他领域的科学家难以利用它们进行研究。”

奇尼说,这种障碍为想要研究阿秒科学的化学家、生物学家、材料科学家造成了影响,他们本可以将更多阿秒科学技术应用到他们的领域中获益。

奇尼指出:“我们的研究方向是朝着使阿秒脉冲更容易获得的方向迈出的一大步。我们的研究表明,工业级激光器现在可以用于产生阿秒脉冲,这种工业级激光器从普通市面上就能够购买得到。”

奇尼说,这种装置很简单,可以与各种不同参数的激光器一起工作。

阿秒科学的工作原理有点像声纳或3D激光测绘,但规模要小得多。

当一个阿秒光脉冲通过一种材料时,与材料中的电子的相互作用会使脉冲扭曲。通过测量这些畸变,研究人员可以构建电子的图像,并制作出电子运动的影片。

通常,科学家利用复杂的激光系统来对阿秒科学领域进行研究,这就需要大型的实验室设备和洁净的房间环境。

为了制造阿秒研究所需的极短光脉冲(本质上只包含电磁波的一个振荡周期),还需要将激光传播到充满稀有气体(如氙气或氩气)的导管中,以进一步在时间上压缩脉冲。

奇尼的团队已经开发出一种方法,可以从更常见的工业级激光器中获得极少周期的脉冲。

他们利用分子气体,如氧化亚氮,而不是稀有气体,在导管中压缩大约100个周期的工业级激光器脉冲,并改变脉冲通过气体的长度。

研究人员最终演示了他们的试验能把周期压缩到1.6个,而且他们认为单周期脉冲是在技术范围之内的。

该研究另一主要负责人约翰·比塔尔表示:“气体的选择和脉冲的持续时间是关键。如果导管里充满了分子气体,特别是线性分子气体,那么由于分子与激光场成对的趋势,这种效应可能会增强。然而,只有当脉冲足够长,既能诱导旋转对准,又能感受到它所引起的效应时,这种由对准引起的增强才会出现。气体的选择是很重要的,因为转动对准时间取决于分子的惯性,为了最大限度地增强,我们希望这与我们的激光脉冲的持续时间一致。”

比塔尔指出:“通过我们的研究,商业用工业级激光器就可以进行阿秒科学研究,为几乎没有激光背景的科学家的跨学科应用研究带来了便利。”

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