空紫外（VUV）激光因其波長短、能量高的特性，在超高分辨率成像和量子精密測量等領域展現出巨大的應用潛力。然而，受限于傳統非線性頻率轉換過程的低效率，該技術的廣泛應用長期面臨瓶頸。近日，美國科羅拉多大學博爾德分校（CU Boulder）的物理學家成功展示了一種新型真空紫外激光器，其能量轉換效率較現有技術提升了100至1000倍。長久以來，科學家們始終追求制造波長更短、性能更優的激光器。然而在過去數十年里，設計能夠發射高亮度真空紫外波段激光的設備一直困難重重。該波段的波長極短，僅為100至200 nm左右，遠小于人類發絲的直徑。

       研究團隊對高能激光領域并不陌生。此前，該團隊曾研制出臺式X射線激光器，其發射的光波每秒振蕩次數超過百億億（1018）次。然而，在介于X射線與可見光之間的真空紫外波段，激光科學家們此前卻一直進展甚微。從固體、原子到有機分子，幾乎所有物質都會與真空紫外光產生強烈的相互作用。

       Henry Kapteyn解釋道：“幾乎所有物質都會吸收這個波段的光。這正是真空紫外光如此迷人，卻又極難實現工程化應用的原因所在。"

       為攻克這些挑戰，研究團隊另辟蹊徑，從普通的紅光和藍光激光束入手。他們將光束注入一種名為“反諧振空心光纖"的特殊腔體中。這種光纖與家庭寬帶使用的光纖有些類似，但其內部結構極為獨特：它由一根中心空管和周圍環繞的七根小型毛細管組成（研究人員形象地將其比作的彈巢）。當激光穿過中心管時，會與其中填充的氙氣原子發生相互作用。氙原子吸收光能后，再以真空紫外光的形式釋放出來，從而完成從可見光到真空紫外光的頻率轉換。

       Margaret Murnane表示：“據我們所知，無論是在大型科學設施還是小型實驗室設備中，目前沒有任何其他方法能像我們的技術這樣，同時實現如此高的真空紫外輸出功率、如此寬的光譜調諧范圍以及如此優異的相干性。"她補充道，這一突破具有的應用價值。當今許多技術正日益依賴納米電子器件，即手機、筆記本電腦等設備芯片中的微型化半導體元件。該團隊研發的激光器有望幫助工程師優化這些器件，例如精準識別可能導致效率降低的微小缺陷。

新型激光器中用于將可見光轉化為真空紫外光的特殊設計腔室

圖源：Kapteyn-Murnane團隊

       研究團隊重點闡述這一技術路徑如何讓高穩定性、便攜式的核參考原子鐘成為現實。Margaret Murnane解釋道，如果將激光精確調節至特定波長并照射釷原子云，這些原子內部的能量態便會開始周期性振蕩，就像撥動老座鐘的擺錘使其規律擺動一樣?？茖W家通過追蹤這種原子“滴答"聲，有望在沒有GPS信號的情況下實現全球乃至深空的高精度導航，甚至用于搜尋太陽系外的行星。

       值得一提的是，在另一項獨立研究中，由JILA和NIST物理學家Jun Ye領導的研究小組在開發此類核鐘方面也已取得了重大進展。

       Margaret Murnane補充道，釷原子只有在受到波長精確為148.3821 nm的光源照射時，才會產生“滴答"振蕩，而這一波長恰好位于真空紫外光譜范圍內。目前，科學家生成這種特定波長所需的大型激光設備通常要占據整個房間。而Murnane和Kapteyn相信，利用他們研發的新型臺式激光器，可以實現相同的激發效果，且成本更低、部署更便捷。

       當然，研究團隊仍面臨大量工作。他們正在探索如何在保持現有效率的前提下，將真空紫外激光器的體積進一步縮小，這無疑是一項艱巨的工程挑戰。

       Margaret Murnane總結道：“我們一直渴望將真空紫外光應用于眾多領域，但過去從未有過真正實用的激光光源。現在，光譜中一整片廣闊的空白區域正在向我們敞開。在這片新領域里，光對原子、分子和材料的超精細結構展現出了的敏感度。"

       這項突破不僅將真空紫外激光的效率提升了千倍，更以其臺式化的設計，將這一前沿技術從大型設施的束縛中解放出來，為探索微觀世界開啟了全新的可能。

參考文獻： 中國光學期刊網

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