两种不同功率的偏振激光器在高谐波产生过程中结合在一起。资料来源:Steven Burrows/Becker Group
JILA的一项新研究介绍了一种直接产生椭圆偏振光的方法，这对先进材料研究至关重要，挑战了以前的理论限制。
在《科学报告》上发表的一项新研究中，JILA研究员和科罗拉多大学博尔德分校物理学教授安德烈亚斯·贝克尔和他的团队提出了一种产生极紫外线(EUV)和x射线的新方法，该方法具有椭圆偏振，这是光波振荡方向发生变化的特殊形状。这种方法可以为实验学家提供一种产生这种光的简单技术，这有利于物理学家在量子水平上进一步了解材料中电子之间的相互作用，为设计更好的电子设备(如电路板、太阳能电池板等)铺平道路。
High-harmo网卡生成过程
许多物理学家使用一种称为高谐波产生(HHG)的过程作为源来产生超短的EUV和x射线激光，并用这种光来研究不同材料中带电粒子的超快动力学。通过向原子气体发射高功率激光脉冲，研究人员可以迫使原子吸收来自激光脉冲的光子。这导致原子中的电子跃迁到一个更高的能级，然后回落到地面水平，随着原子以激光频率的整数倍辐射而发射能量。JILA的研究生和第一作者Bejan Ghomashi解释说:“这些能量将是谐波。所以，如果800纳米的光被吸收，它也会被发射出来，还有400纳米、200纳米等等。”
这个过程可以在桌面激光装置中方便地进行，正如JILA研究员Margaret Murnane和Henry Kapteyn的实验室所开创的那样。它给科学家们提供了一个相对划算的选择来了解更多关于超快电子动力学的知识。
贝克尔补充说:“越来越多的人有机会接触到一个想法，并可以探索它。”
创造光的偏振态
光偏振是描述光波振荡方向的一种方法。更具体地说，偏振描述了激光束中光的电场振荡随时间变化的方向。例如，光的电场可能沿一条线摆动，使其呈线偏振。在其他情况下，摆动电场的方向可能会旋转，使光圆偏振光。产生电场沿椭圆形状变化的光是纯线性偏振光和圆偏振光之间的中间地带。
然而，从历史上看，产生椭圆偏振HHG光一直是一个挑战，但在这项新的研究中，Becker和他的团队探索了如何使用两个不同频率和方向的线性交叉偏振激光器来产生这种理想的形状。与其他更复杂的方法不同，产生椭圆极化HHG的方法，两个交叉极化激光脉冲与原子气体相互作用的实验装置相对简单。
椭圆偏振x射线和极紫外光的来源可以帮助研究手性和磁性材料，因为它们的电子对应用激光场的方向很敏感。手性物质，或具有特殊对称性的物质，通常存在于食品和药品中。一个例子是阿斯巴甜甜味剂:左旋的版本是甜的，而右旋的版本不是。
解开一个奇怪的谜题
虽然之前的理论假设不可能使用两个交叉极化脉冲的配置来产生椭圆偏振光，但在2015年，一项实验研究得出了确切的结果。Ghomashi解释说:“当时，理论物理学没有解释这个实验中产生的椭圆性，并认为它实际上不应该存在。这是一个有待解决的难题。”
对这种差异很感兴趣，最近毕业于JILA的博士生斯宾塞·沃克(Spencer Walker)和贝克尔(Becker)开发了一种在计算机模拟中分析实验装置的方法。这些模拟的结果与2015年对两个交叉偏振激光脉冲的某些参数的实验结果相同。
“你必须找到我们所说的‘最佳点’——它不仅仅是一个参数——你必须同时调整几个参数，”高玛希补充道。
除了调整激光的脉冲长度外，研究人员还微调了两束激光的强度(或峰值电场)，其中一束比另一束更强。操纵这两个参数的结果创造了一个“金发姑娘区”，用于产生罕见的椭圆形HHG光。
沃克解释说:“通过减少脉冲持续时间，我们可以同时控制x和y两个方向的辐射量。如果在两个方向上都有正确能量的发射，就会有椭圆性。”
由于这种方法简单，研究人员希望其他物理学家能够在实验装置中重现他们的结果，以验证他们的理论解释。
“它解决了科学界的一个奇怪的难题，”贝克尔说，“这对科学家和研究人员来说总是很重要的。”
随着JILA研究员Margaret Murnane和Henry Kapteyn开发出一些世界上最精确的桌面激光装置，在JILA测试团队的概念也将成为可能。沃克说:“这种机制，即如何改变旋钮以及为什么调整参数可以达到效果，非常简单。”“这只是一个细节问题。”
参考文献:B. Ghomashi, S. Walker和A. Becker，“利用短交叉极化激光脉冲实现椭圆偏振高谐波”，2023年8月8日，《科学报告》。DOI: 10.1038 / s41598 - 023 - 39814 - y
