瞬态脉冲激光波前畸变检测干涉仪

【研究背景】快速发展的自由电子激光（FEL）技术在高光子能量下产生了飞秒甚至阿秒的脉冲，使得X射线能够用于状态选择性和相敏多维光谱分析和相干控制。直接和常规测量现有的极紫外（XUV）和X射线自由电子激光脉冲的光谱相位是充分实现这种非线性相干控制概念的关键，以便为它们与物质的相互作用找到和设置最佳的脉冲参数。自放大自发辐射XUV/X射线自由电子激光脉冲的直接时间诊断工具是线性和角度条纹法，它对脉冲的时间形状（包括啁啾）非常敏感。这些方法依赖于一个时间同步且足够强的外场的可用性。诊断SASE辐射脉冲的时间结构的一个补充途径是测量电子束中FEL激光诱导的能量损失（例如使用X波段射频横向偏转腔（XTCAV）），从中可以重建XUV/X射线发射的时间剖面。对于种子自由电子激光脉冲，两个几乎相同的自由电子激光脉冲的产生及其XUV干涉图的评估允许其光谱时间内容的完整表征。在这项工作中，科学家提出了一种直接测量XUV-FEL频率啁啾的技术，而不依赖于任何额外的外场或种子多脉冲方案。由于所报道的技术提供了对XUV辐射光谱时间分布的目标访问，它是对FEL激光性能敏感的用户实验的原位诊断的理想方法。例如，在这里，我们实验观察到频率啁啾对自由电子激光脉冲能量的系统依赖性（增加啁啾以减少脉冲能量）。【成果简介】由最先进的自由电子激光器（FELs）产生的极紫外（XUV）和X射线光子能量的高强度超短脉冲正在给超快光谱学领域带来革命性的变化。为了跨越下一个研究前沿，精确、可靠和实用的光子工具对脉冲的光谱-时间特性的描述变得越来越重要。科学家提出了一种基于基本非线性光学的极紫外自由电子激光脉冲频率啁啾的直接测量方法。它在XUV纯泵浦探针瞬态吸收几何结构中实现，提供了自由电子激光脉冲时能结构的原位信息。利用电离氖靶吸光度随时间变化的速率方程模型，给出了直接从测量数据中提取和量化频率啁啾的方法。由于该方法不依赖于额外的外场，我们期望通过对FEL脉冲特性的原位测量和优化，在FEL中得到广泛的应用，从而使多个科学领域受益。【图文导读】图1：频率分辨等离子体选通原理图2：等离子体选通效应的数值模拟图3：通过瞬态吸收光谱测量XUV-FEL频率啁啾图4：频率啁啾特性，自由电子激光脉冲能量依赖性分析图5：色散对部分相干自由电子激光场的影响原文链接：Measuring the frequency chirp of extreme-ultraviolet free-electron laser pulses by transient absorption spectroscopy | Nature Communications

&ldquo 十年磨一剑,不敢试锋芒,再磨十年剑,泰山石敢挡&rdquo 。每一位从事实验研究的科研人员都梦想手中有一把利器,能够和侠客一样在科学的天地里纵横天下,快意恩仇。然而当看准一个研究方向后,手头不可能都有现成的设备,尤其是遇到国外设有技术壁垒的时候。 　　5月27日,Review　of　Scientific　Instruments　发表了中科院物理研究所软物质物理重点实验室翁羽翔研究组的一篇题为A　Q-switched　Ho:YAG　laser　assisted　nanosecond　time-resolved　T-jump　transient　mid-IR　absorbance　spectroscopy　with　high　sensitivity的仪器研制论文,便是一项磨剑之作。 　　蛋白质的动态结构信息是理解其生物学功能的基础。为此国际上发展多种蛋白质动态结构的测量方法,各有千秋。脉冲升温-纳秒时间分辨瞬态红外光谱便是其中的一种,相比较而言,该方法的特点时具有高的时间分辨率。其中涉及的关键设备之一为可调谐连续工作中红外激光源,用于蛋白质二级结构变化的红外指纹光谱指认。由于其在军事用途方面的敏感性,在2009年之前一直属于对华出口限制物资。 　　翁羽翔研究组长期致力于脉冲升温纳秒时间分辨红外光谱技术的发展及其在蛋白质动态结构方面的应用研究。该课题组与大连理工大学于清旭教授开展长期合作,于2005年建立了基于国内一氧化碳气体中红外激光技术的宽谱带脉冲升温-时间分辨瞬态光谱仪(测量精度为千分之一的吸光度差10-3&Delta OD　,Chin.　Phys.　2005,　14,　2484),并用于蛋白质动态结构的研究,取得了系列成果(Biophysical　Journal,　2007,93,　2756-2766 　2009,　97,　2811-2819 　Scientific　Reports,　2014,　4,4834)。在前期大量工作的基础上,该课题组意识到只有将已有设备的测量精度再提高一个数量级,即到达万分之一的吸光度差(10-4&Delta OD)之后才能满足普适性要求,由此对脉冲升温光源和一氧化碳气体红外激光光源提出更高的要求。 　　为此该课题组在2008年申请了中科院科研装备研制项目,提出研制新一代具有国际先进水平的脉冲升温-纳秒时间分辨中红外吸收差光谱仪 包括研制高稳定连续输出可调谐一氧化碳中红外激光探测光源,以及研制新型的脉冲激光加热光源,即空间模式稳定、输出能量稳定的纳秒调Q的Ho:YAG脉冲近红外激光光源(2.1微米,与安徽光机所吴先友研究员合作)。该设备对蛋白质细胞色素c的脉冲升温-时间分辨中红外光谱测量结果表明,在蛋白质酰胺I' 光谱范围(1600-1700　cm-1)内达到的平均测量精度为2× 10-4&Delta OD　。该指标目前领先于国际上同类设备。论文第一作者为物理所博士研究生李得勇,署名单位为中科院物理所,安徽光机所和大连理工大学,并申请了国家发明专利。 　　该工作的意义在于,通过对高性能设备的自主研发,不仅能够满足基础研究的需求,同时还带动了国内特种激光技术的发展。 　　此项工作得到了中科院科研装备研制项目和国家自然科学基金委的资助。 　　图例.　脉冲升温诱导的细胞色素c在重水中温度由25℃阶跃到35℃、温度跳跃2微秒后在酰胺I' 内的瞬态吸收谱。作为比较,实线为35℃和25℃间测得的傅里叶红外吸收差谱。

引力波模拟图 　　据近日美国《基督教科学箴言报》在线版文章称，德国引力波探测器GEO 600的一项奇怪发现，不但可能冲击现有宇宙理论，还引发美国费米国家实验室的科学家们开始建造一个“全息干涉仪”，将探测深入到“普朗克长度”，以便更进一步观察宇宙的时空结构及这一结构中的波动――引力波。 　　引力波被称为“爱因斯坦广义相对论中最后一个尚未被证明是对的组成部分”，新探测仪器的出现有可能使人们直接观测到时间的不连续性，亦将带领人们发掘宇宙起源最深处的奥秘。 　　激光干涉追寻时空波纹 　　引力波其实是爱因斯坦对于万有引力本质的理解。他认为引力场有一种跟电磁波一样的波动，是为引力波。而引力波表现为时空曲率的扰动，以行进波的形式向外传递，其传播速度等于光速。 　　按道理，引力波存在且无处不在，深空中的突变性事件，如超新星爆发、黑洞形成、大型天体相撞这些过程，都能辐射出较强引力波。但事实上，以往在地球上进行的引力波直接搜寻的所有努力都以失败告终。其原因在于，波动虽能造成地球上各处相对距离的变动，但当它们到达地球的时候已经变得非常弱了，对于地球上最先进的引力波探测器来说，其变动的数量级小于一颗质子直径的千分之一。因而尽管引力波毫不模糊且被公认，却一直只能是广义相对论的预言。 　　但科学家们可不满足于这一点。于是，基于激光干涉原理的引力波探测器被建造出来。这一类型的探测器通过测量两条激光束相遇时所形成的干涉图像的变化来探测引力波，干涉图像依赖于激光束的传播距离，当引力波穿过时激光束的传播距离会相应变化。 　　因为目标是非常微弱的信号，引力波探测器的敏感度需达到几乎难以想象的程度。以德国引力波探测器GEO 600来讲，其对距离上极微小的变化都非常敏锐，甚至可探测到日地距离所发生的原子半径级别的变化。不过，这种激光干涉计的探测器灵敏度要与激光传播的距离成比例的话，一般来讲其尺寸都非常可观。 　　“奇怪波动”挑战现有认知 　　德国的GEO 600并不是新产物了，其已默默工作有些时日。然而，在近期利用其搜寻引力波的过程中，物理学家偶然发现了令人迷惑的现象――这一高科技设备虽然还没有找到引力波存在的证据，但却发现了大量的噪音。 　　这就有必要简单描述一下这类探测器的工作过程。以GEO 600为例，其要实现功能，需要发射一束激光穿过600米的隧道，再将激光分裂成两束，经过反射的一束以及未经反射的一束均进入干涉仪。当引力波经过这部分空间的时候，两束激光之间的微小位移将会由干涉仪进行探测。即便这种距离的变化非常之微妙，但如果引力波探测器有结果，那就很可能是引力波通过时引起的。 　　而今GEO 600的“噪音”让研究人员无从解释，在剔除了所有人为因素的影响之后仍不得要领，他们于是向费米实验室的科学家克雷格・ 霍根寻求帮助，希望他利用量子力学上的专业知识帮助阐明这一不规则的噪音。 　　霍根反馈的意见让人震撼又迷惑。他说：“看上去GEO 600受到了时空微观量子级别的冲击。”换句话说，GEO 600探测到的并不是来自什么噪音源，而是时空本身发生的量子级别波动。 　　这一看法的深层意义在于：根据爱因斯坦对宇宙的认知，时空应该是连续平滑的，而照霍根的结论推测时空实际上是不连续的，是由一系列量子点组成。其直指爱因斯坦的理论需要修正。 　　全新探测器进入量子尺度 　　量子力学的测不准原理意味着一些基本量度如长度和时间具有测不准性。而测不准的程度由普朗克常数确定，该常数可以定出最小长度量子――“普朗克长度”，比其更短的长度是没有意义的。 　　现在，要证明“奇怪波动”的来源，研究人员就需要深入到“普朗克长度”――10-35米进行探测，而GEO 600实验中探测到的噪音尺度不到10-15米。因此需要提升引力波探测仪的分辨率，这导致了“全息干涉仪”的产生。 　　“全息干涉仪”是利用全息照相的方法来进行干涉计量，其与一般光学干涉检测方法很相似，但获得相干光的方式不同。光学干涉检测方法获得相干光的方式如前所述，一般是将同一束光的振幅分为两个部分，但全息干涉计量术则是将同一束光在不同时间的波前来进行干涉，可以看作是一种波前的时间分割法。这就使相干光束由同一光学系统所产生，可以消除系统误差。 　　霍根认为，GEO 600在其尺度上发现的噪音是由于宇宙“视界”(天文学中黑洞的边界，在此边界以内的光无法逃离)的全息投射造成的。霍根比喻说，这就像一张图片越放大就会越模糊甚至像素化，宇宙“视界”投射其实发生在普朗克尺度中，所以在我们所身处的时空尺度上，这一投射发生了模糊。 　　而要验证霍根的结论，目前最值得依赖的就是这台“全息干涉仪”。其现正由费米实验室全力打造，它必将比GEO 600探测到更小的尺度，从而进入到量子尺度。如果霍根的看法是正确的，探测器将能探测到时空结构中的量子噪声，给我们现有对宇宙的认知带来巨大的冲击。