全息圖可視化阿秒光脈沖

全息攝影的迷人概念可用于表征極短光脈沖。以色列魏茲曼科學(xué)研究所的科學(xué)家研究小組DESY，Consiglio Nazionale delle Ricerche(CNR-IFN)和Politecnico di Milano的光子學(xué)和納米技術(shù)研究所證明了這種新方法。他們?cè)贜ature Photonics雜志上報(bào)道了他們對(duì)阿秒脈沖的全光學(xué)特征，開(kāi)啟了超短程紫外線和X射線激光脈沖全息診斷的新紀(jì)元。

到目前為止產(chǎn)生的最短光脈沖具有幾十阿秒的時(shí)間持續(xù)時(shí)間。阿秒是十億分之一秒或的十億0000 000 000 000 000 001秒(10個(gè)-18 S)。阿秒光脈沖通常在極紫外(XUV)和軟X射線能量范圍內(nèi)產(chǎn)生，它們提供了一種獨(dú)特的工具，可以實(shí)時(shí)捕獲物質(zhì)中的電子運(yùn)動(dòng)。這些超短閃光的時(shí)間特性是進(jìn)行時(shí)間分辨測(cè)量的關(guān)鍵先決條件，同時(shí)它仍然極具挑戰(zhàn)性。實(shí)際上，光學(xué)方法不能容易地?cái)U(kuò)展到產(chǎn)生阿秒脈沖的X射線域。

全息術(shù)基于通過(guò)使用相干光場(chǎng)產(chǎn)生的干涉對(duì)三維物體成像的概念。換句話說(shuō)，調(diào)整由光波產(chǎn)生的干涉圖案以再現(xiàn)被研究對(duì)象的表面輪廓并繪制其真實(shí)圖像。

是否有可能將全息概念轉(zhuǎn)換到時(shí)域并用它來(lái)成像阿秒光脈沖?

DESY首席科學(xué)家Francesca Calegari是自由電子激光科學(xué)CFEL中心阿秒科學(xué)小組的負(fù)責(zé)人，她的團(tuán)隊(duì)與Weizmann研究所的Nirit Dudovich和Dan Oron小組合作，接觸了這一挑戰(zhàn)，他們理論上提出了如何實(shí)施全息技術(shù)。動(dòng)機(jī)很簡(jiǎn)單：通常，阿秒脈沖不能通過(guò)使用用于可見(jiàn)或近紅外脈沖的傳統(tǒng)光學(xué)技術(shù)來(lái)表征。它們的持續(xù)時(shí)間只能通過(guò)精心設(shè)計(jì)的光電離測(cè)量間接檢索。換句話說(shuō)，測(cè)量阿秒脈沖本身到目前為止需要進(jìn)行復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)。

“在我們的實(shí)驗(yàn)室中，我們經(jīng)常產(chǎn)生阿秒脈沖，以研究物質(zhì)中的超快電子動(dòng)力學(xué)，”Calegari解釋說(shuō)，他也是漢堡大學(xué)的物理學(xué)教授。“清楚地了解這些極短脈沖的時(shí)間結(jié)構(gòu)對(duì)我們的實(shí)驗(yàn)至關(guān)重要，同時(shí)也極具挑戰(zhàn)性。”

聯(lián)合團(tuán)隊(duì)克服了這一范式。他們實(shí)施了一個(gè)相當(dāng)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)裝置，其中在任何阿秒實(shí)驗(yàn)室中常規(guī)記錄的兩個(gè)未知阿秒脈沖的光譜強(qiáng)度與它們的相干干涉一起被分析。他們證明了這些貢獻(xiàn)的總和表現(xiàn)為全息圖，從中可以重建兩個(gè)未知脈沖的時(shí)間特征。這種簡(jiǎn)單的全光學(xué)方法可以實(shí)時(shí)監(jiān)控所有脈沖特性，將阿秒測(cè)量技術(shù)帶入新時(shí)代。

“這種技術(shù)是表征其他超快光源的有前途的工具”Calegari評(píng)論道。“例如，它可以在未來(lái)延伸到自由電子激光器。”這一開(kāi)創(chuàng)性的結(jié)果為測(cè)量甚至在X射線領(lǐng)域的極短激光脈沖開(kāi)辟了新的視角，為激光測(cè)量奠定了新的前沿里程碑。