2.8fs深紫外脈沖成為光譜學(xué)家的研究利器

前，飛秒脈沖和阿秒脈沖能允許科學(xué)家們對(duì)原子、分子以及納米顆粒的運(yùn)動(dòng)情況展開深入研究。例如，可以將深紫外周期量級(jí)脈沖入射到分子上操縱價(jià)電子，以通過阿秒光譜學(xué)對(duì)分子進(jìn)行高分辨率研究。

到目前為止，深紫外波段產(chǎn)生的最短脈寬約為3.7fs（阿秒脈沖為波長(zhǎng)更短的極紫外脈沖）。但是近期德國(guó)馬克斯- 普朗克量子光學(xué)研究所、慕尼黑工業(yè)大學(xué)、路德維希- 馬克西米利安大學(xué)以及沙特King Saud 大學(xué)的研究人員，采用直接頻率轉(zhuǎn)換方法，獲得了脈寬僅2.8fs 的深紫外脈沖，并有望在未來實(shí)現(xiàn)脈寬小于1fs 的脈沖。[1]

氖氣中的三倍頻

為了獲得深紫外超短脈沖，研究人員將脈寬為4fs 以下的近紅外激光脈沖聚焦到一個(gè)3mm 長(zhǎng)的氖氣盒中進(jìn)行三倍頻，氣體的壓強(qiáng)為5bar。近紅外寬帶脈沖的中心波長(zhǎng)為750nm，能量達(dá)0.25mJ。通過一系列布儒斯特角入射的聚合物薄膜后，近紅外脈沖偏振態(tài)為線偏振，三倍頻后產(chǎn)生了能量為1.5J 的深紫外脈沖。殘余的高能共線紅外脈沖，通過硅鏡的布儒斯特反射過濾掉，同時(shí)將深紫外三倍頻脈沖的能量降至大約300nJ。

這個(gè)“準(zhǔn)靜態(tài)”氣體盒置于真空室中，之所以稱之為“準(zhǔn)靜態(tài)”是因?yàn)樗鼪]有窗口。氣體從盒中的一個(gè)小孔入射到另一個(gè)小孔。聚焦的紅外光束通過小孔出入氣體盒。

隨后，研究人員利用自相關(guān)儀測(cè)量輸出脈沖的自相關(guān)信號(hào)。自相關(guān)儀全部由反射元件構(gòu)成以避免色散。自相關(guān)儀包括離子質(zhì)譜儀，通過氪原子的三光子電離測(cè)量自相關(guān)信號(hào)。首先對(duì)深紫外脈沖進(jìn)行分束，并在其中一路施加可調(diào)延遲。氪離子的數(shù)量隨延遲的變化，對(duì)應(yīng)于深紫外脈沖條紋分辨的自相關(guān)信號(hào)，從而產(chǎn)生波長(zhǎng)為230~300nm 的紫外光譜，能量峰值位于263nm 處。

測(cè)量獲得的脈寬為2.8fs。根據(jù)計(jì)算，測(cè)量到的脈沖紫外譜對(duì)應(yīng)的傅氏變換極限脈寬為2.5fs。兩者十分相近。

圖：在真空室中，充有氖氣的準(zhǔn)靜態(tài)氣體盒將寬帶超短中紅外激光脈沖三倍頻后輸出。

完全控制電子以便于光譜學(xué)研究

研究人員相信，利用這些深紫外脈沖能夠有效地在電子價(jià)帶產(chǎn)生疊加態(tài)，從而首次在中性分子中產(chǎn)生價(jià)電子波包。同時(shí)由于沒有了強(qiáng)的近紅外脈沖，這將有利于對(duì)這些分子的時(shí)間分辨吸收，或者有助于對(duì)這些分子的光電子譜進(jìn)行研究。

研究負(fù)責(zé)人Eleftherios Goulielmaki表示：“雖然我們已經(jīng)取得了這些初步的成功，但目前還沒有完全開發(fā)出該方法的應(yīng)用潛力?，F(xiàn)在，我們正在利用近單周期激光脈沖的非線性動(dòng)力學(xué)特性，試圖在這些氣體盒中產(chǎn)生更寬的紫外譜。產(chǎn)生的光譜在該波段甚至可以支持亞飛秒脈沖。初步的研究結(jié)果讓我們感到非常振奮，我們希望該技術(shù)能夠與極紫外阿秒脈沖技術(shù)一道，在納米尺度上完全控制電子的應(yīng)用中扮演關(guān)鍵角色?！?

參考文獻(xiàn)：
1. F. Reiter et al., Opt. Lett. 35, 13, p.
2248 (Jul. 1, 2010).(end)