空紫外（VUV）激光因其波長(zhǎng)短、能量高的特性，在超高分辨率成像和量子精密測(cè)量等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。然而，受限于傳統(tǒng)非線性頻率轉(zhuǎn)換過(guò)程的低效率，該技術(shù)的廣泛應(yīng)用長(zhǎng)期面臨瓶頸。近日，美國(guó)科羅拉多大學(xué)博爾德分校（CU Boulder）的物理學(xué)家成功展示了一種新型真空紫外激光器，其能量轉(zhuǎn)換效率較現(xiàn)有技術(shù)提升了100至1000倍。長(zhǎng)久以來(lái)，科學(xué)家們始終追求制造波長(zhǎng)更短、性能更優(yōu)的激光器。然而在過(guò)去數(shù)十年里，設(shè)計(jì)能夠發(fā)射高亮度真空紫外波段激光的設(shè)備一直困難重重。該波段的波長(zhǎng)極短，僅為100至200 nm左右，遠(yuǎn)小于人類發(fā)絲的直徑。

       研究團(tuán)隊(duì)對(duì)高能激光領(lǐng)域并不陌生。此前，該團(tuán)隊(duì)曾研制出臺(tái)式X射線激光器，其發(fā)射的光波每秒振蕩次數(shù)超過(guò)百億億（1018）次。然而，在介于X射線與可見(jiàn)光之間的真空紫外波段，激光科學(xué)家們此前卻一直進(jìn)展甚微。從固體、原子到有機(jī)分子，幾乎所有物質(zhì)都會(huì)與真空紫外光產(chǎn)生強(qiáng)烈的相互作用。

       Henry Kapteyn解釋道：“幾乎所有物質(zhì)都會(huì)吸收這個(gè)波段的光。這正是真空紫外光如此迷人，卻又極難實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用的原因所在。"

       為攻克這些挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，從普通的紅光和藍(lán)光激光束入手。他們將光束注入一種名為“反諧振空心光纖"的特殊腔體中。這種光纖與家庭寬帶使用的光纖有些類似，但其內(nèi)部結(jié)構(gòu)極為獨(dú)特：它由一根中心空管和周圍環(huán)繞的七根小型毛細(xì)管組成（研究人員形象地將其比作的彈巢）。當(dāng)激光穿過(guò)中心管時(shí)，會(huì)與其中填充的氙氣原子發(fā)生相互作用。氙原子吸收光能后，再以真空紫外光的形式釋放出來(lái)，從而完成從可見(jiàn)光到真空紫外光的頻率轉(zhuǎn)換。

       Margaret Murnane表示：“據(jù)我們所知，無(wú)論是在大型科學(xué)設(shè)施還是小型實(shí)驗(yàn)室設(shè)備中，目前沒(méi)有任何其他方法能像我們的技術(shù)這樣，同時(shí)實(shí)現(xiàn)如此高的真空紫外輸出功率、如此寬的光譜調(diào)諧范圍以及如此優(yōu)異的相干性。"她補(bǔ)充道，這一突破具有的應(yīng)用價(jià)值。當(dāng)今許多技術(shù)正日益依賴納米電子器件，即手機(jī)、筆記本電腦等設(shè)備芯片中的微型化半導(dǎo)體元件。該團(tuán)隊(duì)研發(fā)的激光器有望幫助工程師優(yōu)化這些器件，例如精準(zhǔn)識(shí)別可能導(dǎo)致效率降低的微小缺陷。

新型激光器中用于將可見(jiàn)光轉(zhuǎn)化為真空紫外光的特殊設(shè)計(jì)腔室

圖源：Kapteyn-Murnane團(tuán)隊(duì)

       研究團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)闡述這一技術(shù)路徑如何讓高穩(wěn)定性、便攜式的核參考原子鐘成為現(xiàn)實(shí)。Margaret Murnane解釋道，如果將激光精確調(diào)節(jié)至特定波長(zhǎng)并照射釷原子云，這些原子內(nèi)部的能量態(tài)便會(huì)開(kāi)始周期性振蕩，就像撥動(dòng)老座鐘的擺錘使其規(guī)律擺動(dòng)一樣?？茖W(xué)家通過(guò)追蹤這種原子“滴答"聲，有望在沒(méi)有GPS信號(hào)的情況下實(shí)現(xiàn)全球乃至深空的高精度導(dǎo)航，甚至用于搜尋太陽(yáng)系外的行星。

       值得一提的是，在另一項(xiàng)獨(dú)立研究中，由JILA和NIST物理學(xué)家Jun Ye領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在開(kāi)發(fā)此類核鐘方面也已取得了重大進(jìn)展。

       Margaret Murnane補(bǔ)充道，釷原子只有在受到波長(zhǎng)精確為148.3821 nm的光源照射時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生“滴答"振蕩，而這一波長(zhǎng)恰好位于真空紫外光譜范圍內(nèi)。目前，科學(xué)家生成這種特定波長(zhǎng)所需的大型激光設(shè)備通常要占據(jù)整個(gè)房間。而Murnane和Kapteyn相信，利用他們研發(fā)的新型臺(tái)式激光器，可以實(shí)現(xiàn)相同的激發(fā)效果，且成本更低、部署更便捷。

       當(dāng)然，研究團(tuán)隊(duì)仍面臨大量工作。他們正在探索如何在保持現(xiàn)有效率的前提下，將真空紫外激光器的體積進(jìn)一步縮小，這無(wú)疑是一項(xiàng)艱巨的工程挑戰(zhàn)。

       Margaret Murnane總結(jié)道：“我們一直渴望將真空紫外光應(yīng)用于眾多領(lǐng)域，但過(guò)去從未有過(guò)真正實(shí)用的激光光源?，F(xiàn)在，光譜中一整片廣闊的空白區(qū)域正在向我們敞開(kāi)。在這片新領(lǐng)域里，光對(duì)原子、分子和材料的超精細(xì)結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出了的敏感度。"

       這項(xiàng)突破不僅將真空紫外激光的效率提升了千倍，更以其臺(tái)式化的設(shè)計(jì)，將這一前沿技術(shù)從大型設(shè)施的束縛中解放出來(lái)，為探索微觀世界開(kāi)啟了全新的可能。

參考文獻(xiàn)： 中國(guó)光學(xué)期刊網(wǎng)

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