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研究人员利用工业激光设备产生阿托秒脉冲

《科学进展》杂志8月21日发文称,美国中佛罗里达大学(UCF)的研究人员近日拓展了阿托秒科学的前沿领域:他们用廉价易得的工业级激光器,产生了阿托秒脉冲。

研究人员利用工业激光设备产生阿托秒脉冲

一阿托秒是一秒的十亿分之一。将检测精度提高到阿托秒级别,可以帮助研究人员在微观尺度上研究电子的快速运动,进而揭示光与物质的相互作用方式,从而为太阳能发电、生物化学和医疗诊断等研究提供信息。

《科学进展》杂志8月21日发文称,美国中佛罗里达大学(UCF)的研究人员近日拓展了阿托秒科学的前沿领域:他们用廉价易得的工业级激光器,产生了阿托秒脉冲。

UCF助理教授、论文作者Michael Chini说:“缺乏尖端激光设备是阿托秒科学面临的主要挑战之一。目前,全世界只有12台满足阿托秒科学研究的激光设备。UCF很幸运地拥有其中之一。但不幸的是,这些激光设备都不是真正的‘用户设施’,其他领域的科学家并不能充分应用它们从事研究工作。我们的工作为阿托秒脉冲的广泛应用奠定了基础。项目中用于产生阿托秒脉冲的工业级激光器,售价仅约10万美元,供应商有几十家,并且可以与多种激光器协同工作。”

阿托秒科学的工作原理与声纳和3D激光测绘类似,但规模要小得多。当一个阿托秒光脉冲通过材料时,材料中的电子与脉冲的相互作用会使后者扭曲。通过检测脉冲畸变,研究人员就能构建电子图像,并制作出电子运动“电影”。

通常情况下,制造阿托秒脉冲需要复杂的激光系统、大型设备和高度洁净的实验室环境。此外,为了产生阿托秒级研究所需的极短光脉冲(单脉冲),还需要将激光射入充满稀有气体的管中,以进一步压缩脉冲。

Chini团队以分子气体(如氧化亚氮)替代稀有气体,用工业激光设备产生了1.6个周期的脉冲。研究人员表示,单周期脉冲也是在技术范围之内能够达成的目标。

论文第一作者、UCF物理系博士生John Beetar认为,气体类型和脉冲的持续时间是影响实验结果的关键因素。他说:“如果试管中充满了分子气体,尤其是线性分子气体,由于分子倾向于与激光场对齐,会表现出增强效应。然而,只有当脉冲持续时间足够长,才能诱导旋转对齐,进而使增强效果显现。气体的选择很重要,因为旋转对准的时间与分子惯性密切相关。而为了使增强效果最大化,我们希望旋转对准时间与激光脉冲的持续时间是一致的。使用商用、工业级激光器降低了系统复杂性,让阿托秒科学研究更容易实现,也让没有激光研究背景的科学家能够进行跨学科应用。”

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