台式激光器实现效率千倍跃升！真空紫外应用迎来新突破

空紫外（VUV）激光因其波长短、能量高的特性，在超高分辨率成像和量子精密测量等领域展现出巨大的应用潜力。然而，受限于传统非线性频率转换过程的低效率，该技术的广泛应用长期面临瓶颈。近日，美国科罗拉多大学博尔德分校（CU Boulder）的物理学家成功展示了一种新型真空紫外激光器，其能量转换效率较现有技术提升了100至1000倍。长久以来，科学家们始终追求制造波长更短、性能更优的激光器。然而在过去数十年里，设计能够发射高亮度真空紫外波段激光的设备一直困难重重。该波段的波长极短，仅为100至200 nm左右，远小于人类发丝的直径。

突破禁区：从X射线到真空紫外的跨越

      研究团队对高能激光领域并不陌生。此前，该团队曾率先研制出台式X射线激光器，其发射的光波每秒振荡次数超过百亿亿（1018）次。然而，在介于X射线与可见光之间的真空紫外波段，激光科学家们此前却一直进展甚微。从固体、原子到有机分子，几乎所有物质都会与真空紫外光产生强烈的相互作用。

      Henry Kapteyn解释道：“几乎所有物质都会吸收这个波段的光。这正是真空紫外光如此迷人，却又极难实现工程化应用的原因所在。”

      为攻克这些挑战，研究团队另辟蹊径，从普通的红光和蓝光激光束入手。他们将光束注入一种名为“反谐振空心光纤”的特殊腔体中。这种光纤与家庭宽带使用的光纤有些类似，但其内部结构极为独特：它由一根中心空管和周围环绕的七根小型毛细管组成（研究人员形象地将其比作左轮的弹巢）。当激光穿过中心管时，会与其中填充的氙气原子发生相互作用。氙原子吸收光能后，再以真空紫外光的形式释放出来，从而完成从可见光到真空紫外光的频率转换。

      Margaret Murnane表示：“据我们所知，无论是在大型科学设施还是小型实验室设备中，目前没有任何其他方法能像我们的技术这样，同时实现如此高的真空紫外输出功率、如此宽的光谱调谐范围以及如此优异的相干性。”她补充道，这一突破具有极高的应用价值。当今许多技术正日益依赖纳米电子器件，即手机、笔记本电脑等设备芯片中的微型化半导体元件。该团队研发的激光器有望帮助工程师优化这些器件，例如精准识别可能导致效率降低的微小缺陷。

新型激光器中用于将可见光转化为真空紫外光的特殊设计腔室

图源：Kapteyn-Murnane团队

精准计时：迈向便携式核钟的新基石

      研究团队重点阐述这一技术路径如何让高稳定性、便携式的核参考原子钟成为现实。Margaret Murnane解释道，如果将激光精确调节至特定波长并照射钍原子云，这些原子内部的能量态便会开始周期性振荡，就像拨动老座钟的摆锤使其规律摆动一样。科学家通过追踪这种原子“滴答”声，有望在没有GPS信号的情况下实现乃至深空的高精度导航，甚至用于搜寻太阳系外的行星。

      值得一提的是，在另一项独立研究中，由JILA和NIST物理学家Jun Ye领导的研究小组在开发此类核钟方面也已取得了重大进展。

      Margaret Murnane补充道，钍原子只有在受到波长精确为148.3821 nm的光源照射时，才会产生“滴答”振荡，而这一波长恰好位于真空紫外光谱范围内。目前，科学家生成这种特定波长所需的大型激光设备通常要占据整个房间。而Murnane和Kapteyn相信，利用他们研发的新型台式激光器，完全可以实现相同的激发效果，且成本更低、部署更便捷。

      当然，研究团队仍面临大量工作。他们正在探索如何在保持现有效率的前提下，将真空紫外激光器​的体积进一步缩小，这无疑是一项艰巨的工程挑战。

      Margaret Murnane总结道：“我们一直渴望将真空紫外光应用于众多领域，但过去从未有过真正实用的激光光源。现在，光谱中一整片广阔的空白区域正在向我们敞开。在这片新领域里，光对原子、分子和材料的超精细结构展现出了前所未有的敏感度。”

      这项突破不仅将真空紫外激光的效率提升了千倍，更以其台式化的设计，将这一前沿技术从大型设施的束缚中解放出来，为探索微观世界开启了全新的可能。

参考文献： 中国光学期刊网

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