效率提升千倍！科罗拉多团队研制新型真空紫外激光：将颠覆纳米视野与核钟精度
新真空紫外激光技术有望推动纳米技术与核钟研究
科罗拉多大学博尔德分校的物理学家们展示了一种新型真空紫外激光器，他们称其"效率比现有同类技术高100到1000倍"。这种光源能让科学家观察到即使是目前功能最强大的显微镜也无法触及的现象——例如实时追踪燃料分子燃烧过程，以及发现纳米电子学中极其微小的缺陷。这种新型激光器还可能催生实用的、基于钍原子核内能量跃迁的超精密核钟。理论上，这些科学家们长期追寻的装置能让研究人员以空前的精度稳健地追踪时间。
该研究小组由物理学家亨利·卡普泰恩（Henry Kapteyn）和玛格丽特·默南（Margaret Murnane）领导。他们两位均为由科罗拉多大学博尔德分校（CU Boulder）与美国国家标准与技术研究院（NIST）联合建立的。此外，2024 年在科罗拉多大学博尔德分校获得物理学博士学位的杰里米·瑟斯顿（Jeremy Thurston）主导了这款新型激光器的研发工作。
玛格丽特·默南和亨利·卡普泰恩在他们的实验室里
物理系教授卡普坦表示："科学家们为研制真空紫外激光器已经努力了几十年。我们认为找到了一条很好的路径，可以实现功率提升，并且体积紧凑——这是满足挑战性应用的两个基本要求。"该团队将于3月17日和19日在丹佛举行的美国物理学会全球物理峰会上展示其初步研究成果。
默南和卡普坦的激光器体积小巧，可以放在普通桌面上，研究人员希望使其更小、更高效。默南说："更短的波长很重要，因为可以用来制造分辨率更高的显微镜。如果发生化学反应，你可以看到哪些分子存在——例如，观察它们如何烧蚀重返大气层的太空舱上的隔热瓦。"
默南、卡普坦及其学生对研制高功率激光器并不陌生。他们和同事此前曾开创了台式X射线激光器的设计。这些设备发出的光束每秒振荡超过10亿亿次。
深入探索
然而，激光科学家至今仍发现难以进入真空紫外波段，这个区域介于X射线和可见光之间。从固体到原子和有机分子，所有物质都会与真空紫外光发生强烈相互作用。卡普坦说："基本上，所有物质都会吸收这个范围的光，这就是为什么真空紫外如此令人感兴趣，也为什么这么难制造。"为了应对这些挑战，卡普坦和默南的团队从普通的红色和蓝色激光束入手。
团队将这些光束组合到一个称为"反谐振空芯光纤"的特殊腔体中。这种光纤类似于传输光通信数据的光纤电缆。不过，这个腔体由一个中心为空心的主光纤管和环绕它的七根更小的管子构成。
激光穿过中心光纤管，在此过程中与氙气原子发生碰撞。这些原子吸收光并重新反射——将可见光转化为真空紫外光。默南说："据我们所知，无论是大型还是小型设备，没有其他方法能达到我们新方法所展示的真空紫外功率水平、调谐范围和相干性。"
她补充说，当今许多技术越来越依赖纳米电子学，即极其微小的器件。这包括手机、笔记本电脑等设备中计算机芯片内的半导体。该团队的激光器可以帮助工程师优化此类设备——例如，发现可能导致效率降低的微小缺陷。
- 收藏
