Важное открытие исследователей переносит лазерный свет в новые области спектра
Группа исследователей под руководством Генри Каптейна и Маргарет Мурнейн из JILA в Университете Колорадо успешно создала лучи EUV, запустив фемтосекундный лазер через заполненный газом волновод. Объединив концепции исследований электромагнитного излучения и волоконной оптики, исследователи создали лазероподобный луч в крайнем ультрафиолетовом диапазоне, способный производить точно сфокусированный свет в области электромагнитного спектра, ранее недоступной для ученых.
Длины волн экстремального ультрафиолета (EUV) в 10–100 раз короче, чем волны видимого света, что позволит исследователям «видеть» крошечные детали и вырезать миниатюрные узоры с применением в таких областях, как микроскопия, литография и нанотехнологии. Достижение основано на новой структуре, называемой «волновод», полой стеклянной трубке с внутренними горбами, которые заставляют световые волны двигаться с одинаковой скоростью и помогают волнам усиливать друг друга.
Как сообщается в выпуске журнала Nature от 2 января, работа является частью продолжающегося проекта, поддерживаемого Национальным научным фондом (NSF), независимым агентством правительства США, которое поддерживает научные и инженерные исследования и образование. Новый луч имеет пиковую мощность, приближающуюся к мегаватту, и производит световые волны нанометрового масштаба, при этом весь прибор умещается на столе средних размеров.
Интенсивный лазерный свет буквально разрывает атомы газа на части, в результате чего образуются заряженные ионы и электроны. Лазерный луч затем ускоряет электроны до очень высоких энергий и отбрасывает их обратно на ионы, испуская электромагнитное излучение (в данном случае фотоны с длинами волн EUV).
Некоторые волны EUV могут быть не в фазе с лазером, компенсируя друг друга и ослабляя силу и когерентность выходного луча. Однако, создавая рябь в диаметре волновода, команда из Колорадо заставила световые волны от лазерного и EUV-лучей двигаться с одинаковой скоростью (результат, называемый «фазовым согласованием»).
«Эти волноводные структуры удивительно просты — всего лишь модулированная полая стеклянная трубка», — сказал Мурнан. «Это как если бы лазерный луч «скользил» по модуляциям и замедлялся — точно так же, как лежачие полицейские на дороге очень просто и очень эффективно замедляют автомобиль», — добавила она.
Замедление лазера позволяет ему двигаться с той же скоростью, что и свет EUV, и повышает эффективность процесса. В результате из системы вырывается хорошо синхронизированный поток фотонов — электромагнитное излучение, усиленное до высокоэнергетической длины волны экстремального ультрафиолета.
В отличие от некоторых аналогов размером с комнату, « новый подобный лазеру источник EUV меньше, чем любая другая конструкция лазера EUV на этих очень коротких длинах волн », — сказал Каптейн . «Волконно-волноводное волокно помещается в одной руке, а лазер помещается на рабочем столе», — добавил он. Более того, пиковая мощность луча выше, чем у любого другого источника света на длинах волн, которые он достигает — от ультрафиолетового (УФ) до ЭУФ-диапазона спектра около 6 нанометров.
Группа из Колорадо надеется расширить диапазон луча до того, что ученые называют «водяным окном» — области спектра ниже 4 нанометров, где свет идеально подходит для визуализации биологических структур. Создание луча в этой области позволило бы исследователям построить небольшой микроскоп для визуализации живых тканей на рабочем столе или для просмотра объектов в наномасштабе.
«Через 10 лет лазерный свет охватит всю рентгеновскую область спектра», — предположил Каптейн. «Свет будет использоваться для самых точных микроскопов, какие только можно себе представить, что позволит в режиме реального времени снимать фильмы о сложном танце атомов в химических реакциях и в фармацевтике, которые еще предстоит визуализировать», — добавил он.
Исследование в основном поддерживалось NSF при дополнительных средствах Министерства энергетики. JILA управляется как Национальным институтом стандартов и технологий, так и Университетом Колорадо.