等離子透鏡實驗方案

柏林馬克斯·伯恩研究所(MBI)與漢堡DESY研究中心組成的聯合研究團隊成功研制出可聚焦阿秒級光脈沖的等離子體透鏡。這一突破性進展使得實驗可用阿秒脈沖功率實現量級提升，為研究超快電子動力學開辟了新路徑。相關成果已發表于《自然·光子學》。

阿秒光脈沖是一種發光持續時間極短的光脈沖，是觀測和調控原子、分子及固體中電子運動的關鍵工具。然而由于這類脈沖位于電磁波譜的極紫外或X射線波段，缺乏合適的光學元件使其聚焦始終面臨巨大挑戰。

傳統反射鏡不僅反射率低且易損耗，普通透鏡雖能有效聚焦可見光，卻會吸收極紫外輻射并導致阿秒脈沖時域展寬。MBI與DESY的研究人員通過制備等離子體透鏡攻克了這一難題：他們在微型管腔內充入氫氣，施加強電場脈沖使氫原子電離形成等離子體。電子自然向管壁擴散，形成凹透鏡形態的等離子體結構。

常規狀態下此類結構會使光線發散，但等離子體獨特的折光特性反而實現了阿秒脈沖的聚焦。研究表明，該透鏡能聚焦不同波段的極紫外光，且通過等離子體密度可調節焦距，透射率超過80%。值得注意的是，等離子體透鏡還能有效濾除通常需要金屬濾光片阻擋的紅外驅動脈沖，這意味著更多阿秒脈沖能量可被利用。

為探究聚焦后阿秒脈沖的時域特性，研究團隊通過計算機模擬發現脈沖僅從90阿秒輕微展寬至96阿秒。在更接近真實的條件下(當阿秒脈沖存在不同頻率成分時序差異的啁啾效應時)，等離子體透鏡反而將脈沖持續時間從189阿秒壓縮至165阿秒。

這項實驗演示攻克了阿秒科學領域的長期瓶頸。該技術具備簡易調試、高透射率和全波段聚焦等優勢，為繪制復雜材料電子動力學圖譜、推進量子技術發展、構建新一代超快顯微技術等領域開啟了廣闊應用前景。

審核編輯 黃宇