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紫外范围内的超荧光发射

2019-09-04 14:32:13 北京众星联恒科技有限公司 已读

PhysRevLett | 氙中极紫外超荧光的证据

Superfluorescent emission in the UV range

紫外范围内的超荧光发射

 

自由电子激光FLASH诱导惰性气体氙的超荧光发射


科学家首次在极紫外范围内诱导出超荧光。超荧光,或超辐射,可以用来制造不需要光学谐振器的激光器。由DESY的首席科学家Nina Rohringer领导的研究小组利用DESY的自由电子激光-FLASH来激发窄管内的惰性气体氙,使其像激光一样发出相干辐射。研究小组目前正在《物理评论快报》PRL上发表他们的研究成果。

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氙气的超荧光表现为叠加在均匀自由电子激光光谱(紫色,多发叠加)上一条亮线(黄色)图片来源:欧洲XFELLaurent Mercadier。


 “超荧光现象最早在20世纪70年代在微波范围内被发现,然后在红外和可见波段上也得到了印证,”Rohringer解释说,与此同时,在x射线波段也观察到了超荧光,并且一度被认为是构建x射线激光器的一个有潜力的途径。然而,直到现在,超荧光还没有在极紫外或远紫外范围内被证明。


在超荧光中,入射光被放大并沿着介质轴以窄束相干辐射的形式出射,就像在激光器中一样。 为了在XUV波段中产生超荧光,入射光需要具有足够的能量来将电子从构成激光介质的原子的内壳中射出。 电子层内的重新分布(俄歇衰变)导致更多粒子处于激发态而不是非激发态。物理学家将此称为粒子数反转。

当原子从激发态跃迁到较低能态时,它会发射出光子。 如果足够多的原子发生粒子数反转,则单个激发态原子的少量独立衰变会产生强相关的量子力学状态,称为“纠缠”,使得整个激发原子集合一致地(相干地)跃迁到较低的能级,发出高强度的光脉冲。

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实验设置:自由电子激光器(FEL) FLASH的光束照亮了氙原子云(Xe),激发的超荧光(SF)在自由电子激光器(FEL光谱)的光谱中出现一条亮线,图片是FEL FLASH的单发快照。图片来源:欧洲XFELLaurent Mercadier

同时发射是由量子力学效应引起的,然而宏观上表现为:纠缠原子不是单独耦合到量化光场(光场中的真空波动),而是作为单个整体介质。

DESYNina Rohringer团队, 欧洲XFELLaurent Mercadier 海德堡马克思普朗克核物理研究所的José Ramon Crespo López-Urrutia 团队进行了紧锣密鼓的试验,使用科学园大科学装置将来自FLASH的脉冲光聚焦到充满氙气的窄管内,产生了长为4.5毫米,直径0.04毫米的等离子通道。波长为13纳米(百万分之一毫米)的高能脉冲使气体产生了强烈的粒子数反转,在大约十分之一纳秒后放电,发出一个持续721万亿分之一秒(皮秒)的明亮激光脉冲,波长为6568纳米。


 “虽然我们使用自由电子激光作为激发系统,能够提供特别明亮的短脉冲,但我们能够证明激发不一定必须由自由电子激光产生,才能产生相干的超荧光发射,”Rohringer解释说。 这些研究学者在报告中写到,氙的超荧光不应被视为自由电子激光器或其他XUV激光器的竞争对手。 然而,与自由电子激光器相比,脉冲的持续时间仍然可以缩短,使用超荧光产生的辐射由明确定义的谱线组成,具有精确确定的波长,这使得它对于光谱等某些分析方法很有意义。 然而,最重要的是,这项研究可以更好地理解超荧光的过程 ,即一种宏观的量子现象。

参考文献:

Mercadier, L., et al. "Evidence of Extreme Ultraviolet Superfluorescence in Xenon." Physical review letters 123.2 (2019): 023201. 


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