等離子透鏡實驗方案

柏林馬克斯·伯恩研究所(MBI)與漢堡DESY研究中心組成的聯(lián)合研究團隊成功研制出可聚焦阿秒級光脈沖的等離子體透鏡。這一突破性進展使得實驗可用阿秒脈沖功率實現(xiàn)量級提升，為研究超快電子動力學(xué)開辟了新路徑。相關(guān)成果已發(fā)表于《自然·光子學(xué)》。

阿秒光脈沖是一種發(fā)光持續(xù)時間極短的光脈沖，是觀測和調(diào)控原子、分子及固體中電子運動的關(guān)鍵工具。然而由于這類脈沖位于電磁波譜的極紫外或X射線波段，缺乏合適的光學(xué)元件使其聚焦始終面臨巨大挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)反射鏡不僅反射率低且易損耗，普通透鏡雖能有效聚焦可見光，卻會吸收極紫外輻射并導(dǎo)致阿秒脈沖時域展寬。MBI與DESY的研究人員通過制備等離子體透鏡攻克了這一難題：他們在微型管腔內(nèi)充入氫氣，施加強電場脈沖使氫原子電離形成等離子體。電子自然向管壁擴散，形成凹透鏡形態(tài)的等離子體結(jié)構(gòu)。

常規(guī)狀態(tài)下此類結(jié)構(gòu)會使光線發(fā)散，但等離子體獨特的折光特性反而實現(xiàn)了阿秒脈沖的聚焦。研究表明，該透鏡能聚焦不同波段的極紫外光，且通過等離子體密度可調(diào)節(jié)焦距，透射率超過80%。值得注意的是，等離子體透鏡還能有效濾除通常需要金屬濾光片阻擋的紅外驅(qū)動脈沖，這意味著更多阿秒脈沖能量可被利用。

為探究聚焦后阿秒脈沖的時域特性，研究團隊通過計算機模擬發(fā)現(xiàn)脈沖僅從90阿秒輕微展寬至96阿秒。在更接近真實的條件下(當(dāng)阿秒脈沖存在不同頻率成分時序差異的啁啾效應(yīng)時)，等離子體透鏡反而將脈沖持續(xù)時間從189阿秒壓縮至165阿秒。

這項實驗演示攻克了阿秒科學(xué)領(lǐng)域的長期瓶頸。該技術(shù)具備簡易調(diào)試、高透射率和全波段聚焦等優(yōu)勢，為繪制復(fù)雜材料電子動力學(xué)圖譜、推進量子技術(shù)發(fā)展、構(gòu)建新一代超快顯微技術(shù)等領(lǐng)域開啟了廣闊應(yīng)用前景。

審核編輯 黃宇