新型光子晶体光转换器：物理学和生命科学中强大的观测工具

时间：2021-10-20 19:52:05 来源：

圆偏振激光穿过PCN器件，然后以相反方向偏振的VUV出射到另一侧。

光谱学是利用光来分析物理对象和生物样品。不同种类的光可以提供不同种类的信息。真空紫外线是有用的，因为它可以在广泛的研究领域中帮助人们，但这种光的产生既困难又昂贵。研究人员创造了一种新设备，可以使用具有纳米级穿孔的超薄膜有效地产生这种特殊类型的光。

您用眼睛看到的光的波长仅占存在的可能光波长的一小部分。您会以热的形式感觉到红外光，或者看您是否碰巧是一条蛇，它的波长比可见光长。在另一端是紫外线（UV），可用于在皮肤中产生维生素D，或者看看您是否是蜜蜂。这些和其他形式的光在科学中有许多用途。

在紫外线范围内，有一个波长子集，称为真空紫外线（VUV），之所以这样称呼是因为它们很容易被空气吸收，但可以通过真空。科学家和医学研究人员特别使用大约120-200纳米（nm）范围内的某些VUV波长，因为它们可用于不同材料甚至生物样品的化学和物理分析。

但是，光的能量远不止波长。为了使VUV真正有用，还需要以称为圆极化的方式将其扭曲或极化。现有的生产VUV的方法，例如使用粒子加速器或激光驱动的等离子体，具有许多缺点，包括成本，规模和复杂性。而且，这些只能产生未扭曲的线性极化VUV。如果有一种简单的方法来制作圆偏振VUV，那将是非常有益的。东京大学光子科学与技术研究所的助理教授小西邦彰（Kuniaki Konishi）以及他的团队可能会给出答案。

Konishi说：“我们已经创建了一种简单的设备，可以将圆偏振可见激光转换为在相反方向上扭曲的圆偏振VUV。”“我们的光子晶体介电纳米膜（PCN）由一块厚度仅为48 nm的氧化铝基晶体（3-Al2O3）制成。它位于一块525微米厚的硅片的顶部，该硅片上有190 nm宽的孔被切成600 nm。

真空紫外线的数值模拟。

在我们看来，PCN膜看起来就像是平坦的无特征的表面，但是在强大的显微镜下可以看到穿孔的图案。看起来有点像花洒中的孔，这些孔增加了喷水的水压。

“当波长为470 nm的圆偏振蓝色激光脉冲照射到硅中的这些通道时，PCN会对这些脉冲产生作用并使它们朝相反的方向扭曲，” Konishi说。“它还将它们的波长缩小到157 nm，这恰好在光谱学中非常有用的VUV范围内。”

利用圆偏振VUV的短脉冲，研究人员可以在亚微米级观察到快速或短暂的物理现象，否则这些现象是看不到的。这种现象包括电子或生物分子的行为。因此，这种产生VUV的新方法可能对医学，生命科学，分子化学和固态物理学的研究人员有用。尽管以前已经证明了类似的方法，但是它产生的有用波长更长的波长较少，并且使用了金属基薄膜来实现，该金属基薄膜在存在激光的情况下会迅速降解。PCN对此更加健壮。

“我很高兴，通过我们对PCN的研究，我们发现了一种新的有用的圆偏振光转换应用，可以产生具有使其理想用于光谱的强度的VUV，” Konishi说。“令人惊讶的是，与以前的金属基设备不同，PCN膜能够经受住反复的激光轰击。这使其适用于可能长期使用的实验室。我们这样做是为了基础科学，我希望看到许多研究人员能够充分利用我们的工作。”

参考：小西邦明，荒井大辅，三田佳男，石田诚，汤本淳二和桑田诚作的圆偏振真空紫外相干光生成，2020年7月21日，Optica.DOI：
10.1364 / OPTICA.393816

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