研究人员用工业激光器产生阿秒光

佛罗里达大学的研究人员正在使阿秒科学的前沿领域更容易被所有学科的研究人员所利用。今天发表在《科学进步》杂志上的一项新研究中详细介绍了他们帮助开拓这一领域的方法。

阿秒是十亿分之一秒的十亿分之一，阿秒的精确测量能够实现研究人员研究原子和分子内部电子在自然时间尺度上的快速运动。测量这种快速运动有助于研究人员了解光与物质如何相互作用的基本，这可以帮助人们收集太阳能发电、探测化学和生物武器、进行医疗诊断等等。

“阿秒科学的主要挑战之一是，它依赖于世界一流的激光设备。”加州大学洛杉矶分校物理系助教、该研究的学术带头人迈克尔·奇尼说。他表示，“我们很幸运，在加利福尼亚大学有一个，全世界大概还有十几个。但不幸的是，它们都不是真正的‘用户设备’，来自其他领域的科学家可以利用它们进行研究。”奇尼说，这种途径的缺乏给化学家、生物学家、材料科学家和其他可能从阿秒科学技术应用到他们的领域中获益的人造成了障碍。

奇尼说：“我们的工作是朝着使阿秒脉冲更广泛可及的方向迈出一大步”。“我们展示了工业级激光器，它可以从几十家供应商那里以10万美元左右的价格购买，现在可以用来产生阿秒脉冲。”奇尼说，这个装置很简单，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三维激光测绘，但规模要小得多。当阿秒光脉冲通过材料时，与材料中电子的相互作用使脉冲发生畸变。通过测量这些畸变，研究人员可以构建电子图像，并将其运动拍成电影。通常，科学家使用复杂的激光系统，需要大型实验室设施和洁净室环境，作为阿秒科学的激光驱动器。产生阿秒级研究所需的极短光脉冲（本质上只包含电磁波的单一振荡周期），进一步要求激光通过充满惰性气体（如氙气或氩）的管子传播，以进一步压缩脉冲。但奇尼的研究小组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如此少的周期脉冲，而这种激光器以前只能产生更长的脉冲。它们用分子气体（如氧化亚氮）代替惰性气体，在管子中压缩来自工业级激光器的大约100个周期脉冲，并改变它们通过气体发送的脉冲长度。研究人员说，他们的论文演示了压缩到只有1.6个周期，而且单周期脉冲在技术范围之内。这项研究的主要作者、加州大学物理系的博士生约翰•贝塔说，气体的选择和脉冲的持续时间是关键。

“如果管子里充满了分子气体，特别是线性分子的气体，由于分子倾向于与激光场保持一致，就会产生增强效应。”比塔尔说，“然而，这种由排列引起的增强只有在脉冲足够长，既能诱导旋转对准又能体验到由此产生的效应时才会出现。”他说，“气体的选择很重要，因为旋转对准时间取决于分子的惯性，为了使增强最大化，我们希望这与激光脉冲的持续时间一致。”比塔尔说：“使用商业级、工业级激光的复杂性降低，可以使阿秒科学更为接近，并且可以使几乎没有激光背景的科学家进行跨学科应用”。