中佛羅裡達大學通過工業雷射器產生阿秒雷射

2020-09-04 江蘇雷射產業創新聯盟

江蘇雷射聯盟導讀：

2020年8月21 日來自 美國中佛羅裡達大學（簡稱UCF）的研究人員 發表於 Science Advances上的&34;一文表明，工業級雷射器可用於產生阿秒脈衝。

阿秒科學徹底改變了我們觀察微觀世界隨時間演變的方式，在微觀世界中，物質的行為受量子力學規則的支配。使該領域發展成為可能的技術突破是基於超短雷射脈衝的產生，這種脈衝只持續電磁波的幾個周期振蕩。這些短脈衝的聚焦強度相當於電子在原子和分子中經歷的電場強度。阿秒科學領域最初是通過將強雷射脈衝非線性壓縮到兩個光學周期以下而得以實現的。二十年後，要產生這樣的短脈衝，仍然需要最先進的雷射器，才能最有效地利用稀有氣體中的「瞬時」光學非線性來進行頻譜加寬和參數頻率轉換。雷射通過在充滿稀有氣體(如氙氣或氬氣)的管中傳播來製造阿秒科學所需的極短雷射脈衝，以進一步在時間上壓縮脈衝。UCF團隊表明，在分子氣體中驅動時，使用實質上比幾個周期更長的脈衝時，非線性壓縮可能是有效的，因為增強了非線性。增強的光學非線性與旋轉對準相關。

雷射照射在充滿稀有氣體的管中，UCF研究人員在該管中產生阿秒脈衝。圖片來源：中佛羅裡達大學（UCF）。

中佛羅裡達大學（簡稱UCF）物理系助理教授，該研究的主要研究人員Michael Chini表示阿秒科學的主要挑戰之一是它依賴於世界一流的雷射設備並且需要大型的實驗室設備和潔淨的實驗環境。」 UCF作為全美排名第二的最大的大學和全美三大光學中心之一，擁有一個實驗室，全世界其他地方擁有另外十二個實驗室。但是遺憾的是，由於阿秒科學成本高昂導致其他領域的科學家不能跨學科將其用於研究。

為了突破阿秒科學應用瓶頸降低其成本，研究人員使用分子氣體（如氧化亞氮）替代惰性氣體作為空芯光纖脈衝壓縮器，並改變它們通過氣體發出的脈衝的長度，來壓縮來自工業級雷射器的大約100個周期的脈衝。研究人員通過實驗證明來自工業級雷射器的80周期脈衝可以同時驅動分子排列和氣體填充的管中的超連續光譜產生，從而實現了超過45倍的壓縮，壓縮時間為1.6個周期。研究人員認為這種技術可以實現單周期脈衝。Michael Chini表示他們的研究表明工業級雷射器現在可以用來產生阿秒脈衝，這種可產生阿秒脈衝的工業級雷射器大約花10萬美元就可以從幾十個供應商處購得。並且設置很簡單，可以與各種具有不同參數的雷射器一起使用。

該論文一作John E. Beetar（UCF物理系博士生）說：「氣體的選擇和脈衝的持續時間是關鍵。」同時，他表示如果試管中充滿了分子氣體，特別是線性分子氣體，由於分子傾向於與雷射場對準，便可以增強壓縮脈衝的效果，但只有當脈衝足夠長時，這種對準引起的增強才會出現。並且由於旋轉對準的時間取決於分子的慣性，當氣體的旋轉對準時間與雷射脈衝的持續時間一致時，其增強效果將達到最大化。

阿秒科學的工作原理有點像小型化的聲納或3D雷射測繪，當一個阿秒光脈衝入射到一種材料介質時，與材料中電子的相互作用使脈衝變形。研究人員便可以通過測量這些畸變，來構建電子的圖像及電子運動的軌跡。阿秒精度的測量能力使研究人員能夠研究原子和分子內部電子在自然時間尺度上的快速運動。

測量這種快速運可以可以幫助研究人員深入了解光與物質之間的相互作用，從而為太陽能發電、探測化學、生物武器以及醫療診斷等工作提供信息。商業、工業級雷射的使用可以使阿秒科學更容易獲得，並使幾乎沒有雷射背景的科學家能夠進行跨學科應用。

本文來源：www.doi.org/10.1126/sciadv.abb5375

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