探索亚原子世界的利器——阿秒光脉冲

在以化石能源为动力的现代交通工具出现以前,马作为最快的交通工具已经为人类服务了几千年。千百年来,无数人好奇马在奔跑过程中,是四脚腾空,还是始终有一蹄着地。在照相技术出现后,人们就开始考虑用照相技术来解决这一问题。在摄影技术中,一个“快门”时间内可以曝光并记录一个动作,动作发生时间越短,需要记录它的“快门”就相应地要求越短,否则图像就会出现虚影。但早期的照相技术曝光时间长,成像速度慢。直到1878年,改进了快门的照相机得以应用,才由迈布里奇（E.J.Muybridge）拍摄了一组赛马奔跑的照片（见图1）。迈布里奇的照片清晰地表明了,在马匹奔跑中的某一时刻,它的四蹄是全部离地的。因此,提高照相机的快门速度（时间分辨能力）,可以让我们对事物的认识提高到一个更高水平。     

阿秒光脉冲技术的发展和应用

阿秒光脉冲的产生方法获得2023年诺贝尔物理学奖,引起了人们的广泛兴趣。阿秒脉冲是通过周期量级的飞秒脉冲产生高次谐波得到的,其中需要许多关键技术,包括飞秒脉冲压缩技术、脉冲载波相位的稳定控制以及脉冲强度的提高。文章简要介绍阿秒脉冲的产生方法,及其发展趋势和应用。     

探索物质世界的利器——同步辐射

当近光速的带电粒子在磁场中转向时,沿运动轨迹的切线方向将会发出很窄的电磁辐射,这种高亮度的"光"称为同步辐射.同步辐射的波段范围从THz到远红外/红外,一直扩展到X射线/γ射线,其卓越的性能已经成为探索物质世界强有力的工具,在物理、化学、材料科学、生命科学、医学、纳米科技等领域获得了广泛的应用.本文就同步辐射的发光机制、特点及其应用作了简单的介绍,并结合我们课题组的两个研究实例展示了同步辐射的巨大潜力.     

不同激光等离子体条件下的阿秒光脉冲产生

通过一维粒子模拟研究了利用相对论少周期强激光与固体密度等离子体表面相互作用实现单个孤立阿秒光脉冲产生的参数条件。主要研究描述相互作用的多维参数,如激光强度、入射角和等离子体标尺长度等,对相对论高次谐波能量转换效率和孤立阿秒光脉冲分离度的影响。研究发现,虽然激光等离子体参数对阿秒光脉冲产生的影响是复杂的,但是存在着能够实现大能量孤立阿秒光脉冲的最佳等离子体标尺长度和最佳入射角。当其他相互作用条件确定时,使用中等强度的相对论强激光可以在较宽的参数范围内实现孤立的阿秒光脉冲。大角度入射时,孤立阿秒光脉冲的分离度较高,能够实现孤立阿秒光脉冲的相互作用参数范围也较宽。     

加拿大打造世界最高级显微镜可达亚原子水平

加拿大麦克马斯特大学新加拿大电子显微镜中心打造了世界最高级和最强大的电子显微镜“提坦80—300立方体”（Titan 80—300 Cubed）．该中心主任甘维吉·波顿表示,其威力相当于哈勃太空望远镜,只是前者瞄准原子水平,而后者对准恒星和星系．     

来自宇宙空间的亚原子粒子

天鹅星座X-3是太阳系所在的星系,即银河系里最引人注目的天体之一.它不仅发射出X射线和γ射线(两种脉冲射线,而且还可能不断地向地球上喷吐能量极高的宇宙线.目前正在地底下进行的两个实验,又给这些已够惊人的情况进一步增添了新的内容,即天鹅座X-3也许还在朝地球上发射人们前所不知的某种亚原子粒子! 进行这两个实验所使用的仪器,是专门为探索质子衰变而建造的大型探测器.大统一理论认为,质子会在平均1032年之后发生衰变.换句话说,如果人们去观察大量质子,则一两年时间内将会有机会见到少数质子的衰变.但是,要想这种观察能取得预期的结果…     

高次谐波发射的亚原子尺度研究

激光与原子、分子相互作用的高次谐波是产生超短阿秒脉冲和相干高频XUV光源的重要手段之一.为了产生高强度的XUV光源,需要对谐波产生机制深入研究.本文通过数值求解含时薛定谔方程,计算了不同空间位置的含时偶极矩进而得到不同空间位置的高次谐波发射.对不同空间位置的谐波发射谱的分析发现,谐波发射的主要空间位置在核区附近,不同空间位置的谐波中奇次和偶次谐波均能被观察到,整数阶谐波能量辐射强度较大.进一步研究不同空间位置的谐波相位发现,在x=0左右两侧发射的奇次谐波相位相同,偶次谐波相位相反.通过滤波方法分析了不同空间位置的相同次谐波的含时偶极矩信息,发现该相位特征导致了奇次谐波的增强,偶次谐波的消失.     

世界最短的激光脉冲

<正> 美国麻省理工学院最近成功获得持续时间只有15×10~(15)s的超短激光脉冲。这是到目前为止世界上最短的光脉冲。早在1982年夏季美国贝尔实验室就获得了30×10~(15)s的白光脉冲。这次麻省理工学院的新成果是在改进贝尔实验室早期成果之后获得的。光脉冲是由一些基波相干叠加组成的。这些基波彼此干涉后形成了脉冲。脉冲波的宽度与基波的频率范围成正比。也就是说,频带越     

探索恒星世界

晴夜的天空繁星闪烁,非常迷人。星空常激起人们的想象力,引发人们去探索宇宙的奥秘。满天的繁星,除了几颗是行星之外,几乎全部是恒星,太阳就属于恒星世界成员之一。恒星是由炽热的气态物质组成的,是能自己发热、发光的球形或接近球形的天体（本期的中心彩色插页配有精彩的“恒星大世界”图片,请读者在阅读本文时参阅）。恒星的化学组成大同小异,     

探索粒子物理世界的高速相机——像素探测器

在日常生活中,为了捕捉一瞬间的事件,人们通常利用相机抓拍,然后根据照片来回味那一刻的精彩,使瞬间成为永恒.为了拍摄百米赛跑冲线的那一刹那,更需要利用每秒可拍摄上千张照片的高速相机来进行记录,即使是百分之一秒的时间差,都有可能导致一个新的世界纪录的诞生.     

多学科研究的利器——核分析技术

核分析技术是伴随着核科学与技术的发展而发展起来的,以粒子与物质相互作用、核效应、核谱学及核装置（反应堆、加速器等）为基础,由多种方法组成的综合技术。高能物理研究所的前身中国科学院近代物理所在建所初期及原子能研究所时期,为配合原子核物理研究并为原子能应用准备条件,即开始布局核化学与放射化学学科,这为后期开展核分析技术及应用研究奠定了基础。高能物理研究所成立后,在开展基础研究的同时,服务于多学科研究及国民经济的核分析技术亦实现了快速发展。1975年11月,正式设立放射化学研究室（五室）,共有科研人员68人。1978年2月,在五室基础上合并了原一室的静电质子加速器和穆斯堡尔谱学组及原二室的30 MeV电子直线组,成立应用研究室,专门从事核分析技术方法与应用研究。发展的核分析方法包括中子活化分析、离子束分析、正电子湮没技术、穆斯堡尔谱学、裂变径迹技术、X射线荧光分析等,应用领域涉及环境科学、地质学、生物医学、材料科学、国家安全等。此后历经多次学科调整,21世纪以来,重点开展了典型污染物的环境行为与毒性效应、纳米材料的生物效应与安全性、聚变堆材料、古陶瓷年代产地鉴定等研究。依托核分析技术,在高能物理研究所成立的省部级实验室包括中国科学院核分析技术重点实验室、中国科学院纳米生物效应与安全性重点实验室、国家环境保护汞污染防治工程技术中心以及北京市射线成像技术与装备工程中心。本文介绍了多种核分析技术在高能物理研究所发展历程以纪念高能所成立50周年。     

我国建成世界顶级脉冲强磁场实验装置

2007年10月,国家发展改革委批准依托华中科技大学建设脉冲强磁场实验装置。经过7年的研制和建设,已顺利完成,近期已通过国家验收,正式宣告我国拥有了国际顶级水平的脉冲磁场实验装置。     

激光脉冲激活人眼:开启红外光世界

在这个世界,人眼看到的一切都是色彩斑斓,生动明艳的。但鲜有人思考过,人眼所见到的一切就是这个世界的全部吗?自1671年,牛顿在他的光学试验说明中使用了"光谱"这个词以来,科学的发展让人们越来越意识到,人眼可见光的范围极其有限,仅局限于390~700nm波长范围之间,属于电磁波的一个区间。而在这个庞大家族中,还有很多肉眼不可见光,比如红外光和紫外光。然而,近日一项研究发现,通过特殊的刺激,可以让人眼在     

探索两个世界的分界线

据2008年9月27日美国Science News报道:9月3日费米实验室的Dzero探测器发言人DmitriDenisov宣布,他们发现了一个由底夸克和围绕着它旋转的两个奇异夸克组成的奇异粒子,该粒子被命名为Ωb-(Omega-b-minus).这是继1964.年发现由3个奇异夸克组成的奇异粒子后,又一个符合粒子物理标准模型所预见的粒子.美国斯坦福直线加速器中心的物理学家Michael Peskin誉此发现为装饰在美妙理论桂冠上的又一根羽毛.     

探索两个世界的分界线

据美国2008年9月24日Science News报道:法国物理学家第一次制作了有关微波脉冲由量子物理学世界向经典物理学世界过渡的"电影".     

啁啾脉冲放大技术——从超快激光技术到超强物理世界

2018年的诺贝尔奖揭晓,3位科学家因在光学技术领域作出的开创性发明而获得物理学奖。其中Arthur Ashkin教授因为发明光镊技术(Optical Tweezer)分享了一半的奖金;Gérard Mourou教授和Donna Strickland副教授因共同发明啁啾脉冲放大技术(Chirped Pulse Amplification,CPA)分享了另一半奖金。作为突破高强度激光发展瓶颈的重大技术创新,CPA技术自发明以来一直是激光物理研究、特别是超快激光研究的核心技术。文章将主要简述该技术发明的相关背景、原理、结构及所导致的激光进展和开拓的超强物理应用。     

光量子信息利器——超导纳米线单光子探测器

利用超导宏观量子效应与环境电磁场的相互作用,超导探测器可以实现量子极限灵敏度探测。超导纳米线单光子探测器(SNSPD)具备高探测效率、低暗计数等优异的性能,已经在量子信息、深空通信、激光雷达等领域得到了广泛的应用,并为中国“九章”光量子计算原型机、量子密钥分发等领域达到国际领先水平提供了核心探测技术支持。文章简述了SNSPD的基本原理,对其性能、制冷技术、应用以及常见的问题等进行了介绍,并对未来发展做了展望。     

超短光脉冲——挑战极限

超短光脉冲———挑战极限用于产生飞秒脉冲的飞秒激光器是过去２０年间由激光科学发展起来的最强有力的新工具之一．１ｆｓ，即１０－１５ｓ，仅仅是１千万亿分之一秒．作为电磁波之一的光波，其相邻的两个波峰依次通过一点时，所用的时间也就是几个飞秒．这种接近光周期...     

双脉冲高功率脉冲调制器的设计

采用螺旋线和折叠线技术相结合的方法,设计了一种基于水介质高功率脉冲调制器。该调制器采用了两个开关,通过控制两个开关的导通时刻,可以在两个负载上得到脉冲长度相等的两个脉冲。对该种折叠型传输线的波过程进行了详细分析,给出了过渡段部分阻抗等参数对负载电压的影响;用Pspice电路软件对脉冲形成线的充电电压和二极管电压、电流进行了模拟;最后利用高压同轴电缆,对该种类型调制器进行了低压情况下的验证实验,实验结果与理论分析、模拟研究一致。此种类型的调制器具有结构紧凑、可同时输出两个脉冲的优点。     

双脉冲高功率脉冲调制器的设计

采用螺旋线和折叠线技术相结合的方法,设计了一种基于水介质高功率脉冲调制器。该调制器采用了两个开关,通过控制两个开关的导通时刻,可以在两个负载上得到脉冲长度相等的两个脉冲。对该种折叠型传输线的波过程进行了详细分析,给出了过渡段部分阻抗等参数对负载电压的影响;用Pspice电路软件对脉冲形成线的充电电压和二极管电压、电流进行了模拟;最后利用高压同轴电缆,对该种类型调制器进行了低压情况下的验证实验,实验结果与理论分析、模拟研究一致。此种类型的调制器具有结构紧凑、可同时输出两个脉冲的优点。