工業(yè)級激光器助力阿秒激光科學(xué)研究
發(fā)布時(shí)間：2020-08-24 閱讀次數(shù)：
阿秒是一秒的十億分之一，1飛秒＝1000阿秒，精確到一阿秒的測量能力使研究人員能夠在原子和分子的自然時(shí)間尺度上研究電子的快速運(yùn)動(dòng)。（來源：OFweek激光網(wǎng)）
測量這種快速運(yùn)動(dòng)可以幫助研究人員了解光如何與物質(zhì)相互作用的基本方面，從而為獲取太陽能發(fā)電、探測化學(xué)和生物武器、進(jìn)行醫(yī)療診斷等工作提供信息。
今天發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）雜志上的一項(xiàng)新研究，中佛羅里達(dá)大學(xué)的研究人員詳細(xì)介紹了他們是如何幫助開拓阿秒科學(xué)領(lǐng)域的。
中佛羅里達(dá)大學(xué)物理系副教授、研究主要負(fù)責(zé)人邁克爾·奇尼表示：“阿秒科學(xué)研究所面臨的主要挑戰(zhàn)之一就是它依賴于世界一流的激光設(shè)備，我們很幸運(yùn)在中佛羅里達(dá)大學(xué)有一個(gè)，而且全世界可能還有12個(gè)。但不幸的是，它們都不是真正的‘用戶設(shè)施’，其他領(lǐng)域的科學(xué)家難以利用它們進(jìn)行研究。”
奇尼說，這種障礙為想要研究阿秒科學(xué)的化學(xué)家、生物學(xué)家、材料科學(xué)家造成了影響，他們本可以將更多阿秒科學(xué)技術(shù)應(yīng)用到他們的領(lǐng)域中獲益。
奇尼指出：“我們的研究方向是朝著使阿秒脈沖更容易獲得的方向邁出的一大步。我們的研究表明，工業(yè)級激光器現(xiàn)在可以用于產(chǎn)生阿秒脈沖，這種工業(yè)級激光器從普通市面上就能夠購買得到。”
奇尼說，這種裝置很簡單，可以與各種不同參數(shù)的激光器一起工作。
阿秒科學(xué)的工作原理有點(diǎn)像聲納或3D激光測繪，但規(guī)模要小得多。
當(dāng)一個(gè)阿秒光脈沖通過一種材料時(shí)，與材料中的電子的相互作用會(huì)使脈沖扭曲。通過測量這些畸變，研究人員可以構(gòu)建電子的圖像，并制作出電子運(yùn)動(dòng)的影片。
通常，科學(xué)家利用復(fù)雜的激光系統(tǒng)來對阿秒科學(xué)領(lǐng)域進(jìn)行研究，這就需要大型的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備和潔凈的房間環(huán)境。
為了制造阿秒研究所需的極短光脈沖（本質(zhì)上只包含電磁波的一個(gè)振蕩周期），還需要將激光傳播到充滿稀有氣體（如氙氣或氬氣）的導(dǎo)管中，以進(jìn)一步在時(shí)間上壓縮脈沖。
但奇尼的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開發(fā)出一種方法，可以從更常見的工業(yè)級激光器中獲得極少周期的脈沖。
他們利用分子氣體，如氧化亞氮，而不是稀有氣體，在導(dǎo)管中壓縮大約100個(gè)周期的工業(yè)級激光器脈沖，并改變脈沖通過氣體的長度。
研究人員最終演示了他們的試驗(yàn)?zāi)馨阎芷趬嚎s到1.6個(gè)，而且他們認(rèn)為單周期脈沖是在技術(shù)范圍之內(nèi)的。
該研究另一主要負(fù)責(zé)人約翰·比塔爾表示：“氣體的選擇和脈沖的持續(xù)時(shí)間是關(guān)鍵。如果導(dǎo)管里充滿了分子氣體，特別是線性分子氣體，那么由于分子與激光場成對的趨勢，這種效應(yīng)可能會(huì)增強(qiáng)。然而，只有當(dāng)脈沖足夠長，既能誘導(dǎo)旋轉(zhuǎn)對準(zhǔn)，又能感受到它所引起的效應(yīng)時(shí)，這種由對準(zhǔn)引起的增強(qiáng)才會(huì)出現(xiàn)。氣體的選擇是很重要的，因?yàn)檗D(zhuǎn)動(dòng)對準(zhǔn)時(shí)間取決于分子的慣性，為了最大限度地增強(qiáng)，我們希望這與我們的激光脈沖的持續(xù)時(shí)間一致。”
比塔爾指出：“通過我們的研究，商業(yè)用工業(yè)級激光器就可以進(jìn)行阿秒科學(xué)研究，為幾乎沒有激光背景的科學(xué)家的跨學(xué)科應(yīng)用研究帶來了便利。”
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