阿斯托秒等离子体透镜

柏林马克斯·波恩研究所（MBI）和汉堡德国电子加速器（DESY）的一组研究人员展示了能够聚焦阿秒脉冲的等离子体透镜。这一突破大大增加了可用于实验的阿秒功率，为研究超快电子动力学开辟了新的机会。相关结果现已发表在《自然·光子学》上。

阿秒脉冲进入毛细管，强电脉冲产生氢等离子体。图片：MBI

阿秒脉冲——持续时间仅为十亿分之一十亿分之一秒的光脉冲——是观察和控制原子、分子和固体中的电子运动的重要工具。

然而，由于缺乏合适的光学元件，聚焦这些脉冲（位于电磁谱的极端紫外线或X射线区域）证明是非常具有挑战性的。通常使用镜子，但它们反射率低且很快会退化。

虽然透镜是最简单的聚焦可见光工具，但对于聚焦阿秒脉冲来说并不适用，因为它们吸收了极端紫外线光并拉长了阿秒脉冲的时间。MBI和DESY的研究人员通过生成等离子体透镜解决了这个问题。为了创建它，他们将强大的电脉冲发送到细小管内的氢气中。

这一过程剥离了氢原子的电子，形成了等离子体。电子自然地向外移动至管子边缘，使等离子体呈现出凹透镜形状。通常情况下，这样的透镜会发散光线而不是聚焦。但由于等离子体对光的弯曲方式不同于普通材料，因此它实际上能够聚焦阿秒脉冲。

在他们发表于《自然·光子学》的研究中，研究人员展示了等离子体透镜可以聚焦不同范围的极端紫外线(XUV)脉冲，并且焦距可以通过等离子体密度进行调节。他们还实现了超过80%的高传输率。

更重要的是，研究团队发现等离子体透镜作为红外驱动脉冲的有效过滤器，通常需要使用薄金属滤波器。这意味着这些滤波器不再必要，从而允许更多的阿秒功率通过。有了更强的脉冲，科学家们现在有机会进行原本受限于弱光源的阿秒实验。

为了更好地理解聚焦后的阿秒脉冲随时间的行为，研究人员进行了计算机模拟。他们发现，这些脉冲仅轻微拉伸，从90阿秒到96阿秒不等。在更现实的情况下——不同颜色的阿秒脉冲到达的时间略有不同（这一现象称为色散）——等离子体透镜实际上缩短了脉冲长度。在这种情况下，脉冲持续时间从189阿秒减少到了165阿秒。

通过实验证明了阿斯托秒等离子体透镜，研究人员解决了阿斯托秒科学中的一个重要限制。该技术提供了简单的对准、高传输率以及在不同颜色光下的聚焦能力。这些优势为从复杂材料中映射电子动力学到推进量子技术和实现下一代超快显微镜等一系列广泛应用打开了大门。

编撰自论文“用于聚焦阿秒脉冲的等离子透镜”.自然光子学.2025相关信息，文中配图若未特别标注出处，均来源于公开图库。