利用工業雷射設備，產生了十億分之一秒的脈衝

2020-09-05 科學大觀園雜誌


非線性指數與相移。

一阿託秒是一秒的十億分之一。將檢測精度提高到阿託秒級別，可以幫助研究人員在微觀尺度上研究電子的快速運動，進而揭示光與物質的相互作用方式，從而為太陽能發電、生物化學和醫療診斷等研究提供信息。

《科學進展》雜誌8月21日發文稱，美國中佛羅裡達大學（UCF）的研究人員近日拓展了阿託秒科學的前沿領域：他們用廉價易得的工業級雷射器，產生了阿託秒脈衝。

UCF助理教授、論文作者Michael Chini說：「缺乏尖端雷射設備是阿託秒科學面臨的主要挑戰之一。目前，全世界只有12臺滿足阿託秒科學研究的雷射設備。UCF很幸運地擁有其中之一。但不幸的是，這些雷射設備都不是真正的『用戶設施』，其他領域的科學家並不能充分應用它們從事研究工作。我們的工作為阿託秒脈衝的廣泛應用奠定了基礎。項目中用於產生阿託秒脈衝的工業級雷射器，售價僅約10萬美元，供應商有幾十家，並且可以與多種雷射器協同工作。」

阿託秒科學的工作原理與聲納和3D雷射測繪類似，但規模要小得多。當一個阿託秒光脈衝通過材料時，材料中的電子與脈衝的相互作用會使後者扭曲。通過檢測脈衝畸變，研究人員就能構建電子圖像，並製作出電子運動「電影」。

通常情況下，製造阿託秒脈衝需要複雜的雷射系統、大型設備和高度潔淨的實驗室環境。此外，為了產生阿託秒級研究所需的極短光脈衝（單脈衝），還需要將雷射射入充滿稀有氣體的管中，以進一步壓縮脈衝。

Chini團隊以分子氣體（如氧化亞氮）替代稀有氣體，用工業雷射設備產生了1.6個周期的脈衝。研究人員表示，單周期脈衝也是在技術範圍之內能夠達成的目標。

論文第一作者、UCF物理系博士生John Beetar認為，氣體類型和脈衝的持續時間是影響實驗結果的關鍵因素。他說：「如果試管中充滿了分子氣體，尤其是線性分子氣體，由於分子傾向於與雷射場對齊，會表現出增強效應。然而，只有當脈衝持續時間足夠長，才能誘導旋轉對齊，進而使增強效果顯現。氣體的選擇很重要，因為旋轉對準的時間與分子慣性密切相關。而為了使增強效果最大化，我們希望旋轉對準時間與雷射脈衝的持續時間是一致的。使用商用、工業級雷射器降低了系統複雜性，讓阿託秒科學研究更容易實現，也讓沒有雷射研究背景的科學家能夠進行跨學科應用。」

原創編譯：雷鑫宇 審稿：西莫 責編：張夢

期刊來源：《科學進展》

期刊編號：2375-2548

原文連結：https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-08/uocf-urg082120.php

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