世界首台等离子体透镜以80%效率聚焦阿秒光脉冲

由MBI与DESY研发的新型等离子体透镜可聚焦阿秒级光脉冲，为超快光学研究带来更清晰、更强大的探测能力。

阿秒（十亿分之一秒的十亿分之一）是迄今人类创造的最短光脉冲。如今科学家成功攻克了其聚焦技术。

由柏林马克斯·玻恩研究所（MBI）与汉堡DESY研究中心组成的团队，研制出全球首台可聚焦阿秒脉冲的等离子体透镜，这一突破或将重塑超快物理学研究格局。

该技术显著提升了阿秒光的强度，使其能更精准探测原子与材料中最快速的电子运动。

阿秒脉冲可用于定格电子运动轨迹，犹如拍摄电子行为影片，为揭示物质最基本过程提供窗口。但长期以来存在一个技术瓶颈：这些脉冲位于极紫外（XUV）或X射线波段，传统反射镜与透镜在此波段完全失效 —— 反射镜不仅反射率低且易老化，普通透镜则会吸收极紫外光并拉长阿秒脉冲，导致精度丧失。

为此，MBI与DESY的研究人员另辟蹊径，选择了一种非常规材料：等离子体。这种带电气体能以固态物质无法实现的方式偏折光线。

通过可控方式产生等离子体，团队研制出能聚焦阿秒光且不损失其强度与速度的新型透镜。

等离子体颠覆光学定律

在研制过程中，科学家让强电脉冲通过毛细管内的氢气，电脉冲使氢原子电离形成等离子体。当电子向管壁外侧移动时，等离子体自动形成凹透镜形态。

团队解释：“通常此类结构会使光线发散而非聚焦，但由于等离子体折射机制特殊，反而实现了阿秒脉冲的聚焦。”

实验表明，该透镜可聚焦宽波段极紫外光，且通过调节等离子体密度就能改变焦距。更引人注目的是，其透光率超过80%，意味着大部分光源可无损通过。

更强能量，更少滤光

该等离子体透镜还具备天然滤光功能，可阻断产生阿秒脉冲时伴生的长波红外激光。这类红外脉冲通常需要额外金属滤光片，但会损耗宝贵能量。

团队表示：“如今这些滤光片已不再需要。”这使得原本受限于弱光源的实验能获得更强阿秒光束。

为分析透镜对脉冲形态的影响，研究人员进行了模拟计算。结果显示阿秒脉冲仅从90阿秒轻微展宽至96阿秒。在实际条件下（因色散效应导致不同颜色光波到达时间差异），等离子体透镜甚至将脉冲从189阿秒压缩至165阿秒。

凭借简易校准、可调聚焦与高透射率等优势，这款等离子体透镜有望开启阿秒科学新纪元 —— 从绘制复杂材料中电子运动图谱，到推进超快量子技术及显微成像发展。

该项研究成果已发表于《自然·光子学》期刊。

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