用于聚焦阿秒脉冲的等离子透镜

等离子透镜实验方案

柏林马克斯·伯恩研究所(MBI)与汉堡DESY研究中心组成的联合研究团队成功研制出可聚焦阿秒级光脉冲的等离子体透镜。这一突破性进展使得实验可用阿秒脉冲功率实现量级提升，为研究超快电子动力学开辟了新路径。相关成果已发表于《自然·光子学》。

阿秒光脉冲是一种发光持续时间极短的光脉冲，是观测和调控原子、分子及固体中电子运动的关键工具。然而由于这类脉冲位于电磁波谱的极紫外或X射线波段，缺乏合适的光学元件使其聚焦始终面临巨大挑战。

传统反射镜不仅反射率低且易损耗，普通透镜虽能有效聚焦可见光，却会吸收极紫外辐射并导致阿秒脉冲时域展宽。MBI与DESY的研究人员通过制备等离子体透镜攻克了这一难题：他们在微型管腔内充入氢气，施加强电场脉冲使氢原子电离形成等离子体。电子自然向管壁扩散，形成凹透镜形态的等离子体结构。

常规状态下此类结构会使光线发散，但等离子体独特的折光特性反而实现了阿秒脉冲的聚焦。研究表明，该透镜能聚焦不同波段的极紫外光，且通过等离子体密度可调节焦距，透射率超过80%。值得注意的是，等离子体透镜还能有效滤除通常需要金属滤光片阻挡的红外驱动脉冲，这意味着更多阿秒脉冲能量可被利用。

为探究聚焦后阿秒脉冲的时域特性，研究团队通过计算机模拟发现脉冲仅从90阿秒轻微展宽至96阿秒。在更接近真实的条件下(当阿秒脉冲存在不同频率成分时序差异的啁啾效应时)，等离子体透镜反而将脉冲持续时间从189阿秒压缩至165阿秒。

这项实验演示攻克了阿秒科学领域的长期瓶颈。该技术具备简易调试、高透射率和全波段聚焦等优势，为绘制复杂材料电子动力学图谱、推进量子技术发展、构建新一代超快显微技术等领域开启了广阔应用前景。

审核编辑 黄宇