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阿秒脉冲揭示原子内部电子的相互作用

2009-01-08 11:00
Radow
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    作者:John Wallac

    最近,来自德国马克斯-普朗克量子光学研究所(MPQ)、Ludwig-Maxmilians大学以及美国劳伦斯-伯克利国家实验室的研究人员通过精密控制超短激光脉冲的波形,并将脉冲入射到氖气射流中使氖气发生电离,获得了迄今为止最短的光脉冲——脉宽仅为80阿秒(as)。[1]这种可控光电离技术将为科学研究开辟新的领域,例如能让人们直接观察到量子电子相关效应。

 

 

 

    能获得如此短的脉冲,关键在于入射的激光脉冲具有稳定的单周期特性。激光脉冲的载波包络接近高斯型,宽度为3.3fs,中心波长为720nm(近红外)。由于包络脉宽很短,以至于最接近包络峰值处的光学周期强度,比包络其他任何位置处的强度都大得多。正因为如此,氖气受到单个电场脉冲的照射足够强,从而发生电离,即使包络的峰值位置并没有与光学载波的峰值完全重合。电离产生的电子随后与氖原子复合,能够产生80as的脉冲,并且其峰值波长位于极紫外波段(见图)。
为了测量阿秒脉冲的宽度,研究人员将极紫外脉冲和近红外激光脉冲同时入射到第二个氖气射流中,以使极紫外光在近红外光存在的条件下,使氖原子发生电离。根据电子发生电离的时间与极紫外光到达时间的相互关系,近红外脉冲能使电子的动量增加或减小,从而可以通过电离电子的能量分布,计算极紫外脉冲的宽度以及其他特性。


    马普研究所阿秒与强场物理实验室及慕尼黑先进光子学中心的项目负责人Eleftherios Goulielmakis指出:“用光场条纹相机来描述我们的方法再恰当不过了。入射激光脉冲的电场能够在几百阿秒的时间内由零增加到最大值,它能起到条纹记录的作用。近红外光场能够为极紫外脉冲通过光电效应产生的电子‘加条纹’,并且电子动能的变化量取决于它们在光场中电离的时间。通过采集阿秒脉冲以及激光脉冲不同延迟处的电子谱,并且采用频率分辨光学快门(FROG)算法对其进行分析,我们能够抽取阿秒脉冲的时间结构。”

    二次发射


    Goulielmakis表示,除直接发射(能够用于测量阿秒脉冲)以外,还可以用该技术研究原子或分子二次发射的时间特性,例如俄歇衰变。在这种情况下,随着原子内电子的超快重构导致的二次发射,能够用超短脉冲激发测量过程。


    Goulielmakis指出:“我们最近在实验中取得的关键成果(包括短脉宽的软X射线以及光子产量提高带来的阿秒测量过程中信噪比的改善),都是能够反映这一技术分辨率的重要参数。估计我们的分辨率已接近原子时间尺度(24as)。在这样的时间尺度上,人们将有望揭示原子内部电子的运动以及电子之间极快的相互作用。我们希望能够率先观察到原子内的电子是如何相互作用的,并且探讨电子的集体运动对物质宏观行为会产生什么影响。例如,考虑用光脉冲电离一个原子或分子。尽管一个电子被‘踢出’原子,还会有许多其他的电子留下。那么,这些电子是如何重构、如何重新达到新的平衡的?它们如何共享光子沉积在原子上的能量?由于以前缺乏合适的研究工具,因此到目前为止,还没有人提出过这类的问题。我们希望脉宽小于100as的脉冲能够帮助我们解决上述问题,并且能为这些过程的实时控制铺平道路。”


    更短的光脉冲将能够开辟更多的科学研究领域。Goulielmakis说:“将来甚至能够得到仄秒(1仄秒=10-21秒)量级的光脉冲,原子核内的质子和中子正是在这一时间尺度上运动的,因此仄秒脉冲将为人类打开实时探索核过程的大门。”

参考文献
1.E. Goulielmakis et al., Science 320 (June 20, 2008).

声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

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