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世界上最亮的激光触发光线新行为

瑾年Invader
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内布拉斯加大学林肯分校的物理学家用一种新光源看待日常现象。

物理学家们创造了地球上目前最亮的光,通过将激光聚焦到比太阳表面高出十亿倍的亮度,观察到了光与物质相互作用发生的变化。这些变化产生了独特的X射线脉冲,有可能获得极高分辨率图像,这些图像对于医疗、工程、科学和安全方面都是有价值的。该团队的详细研究结果有利于未来有关高强度激光的实验,于6月26日发表在《Nature Photonics》杂志上。

极光实验室的Donald Umstadter及其同事在氦悬浮电子上发射了他们的Diocles激光,以测试激光光子撞击后是如何从单电子中散射的。

图中显示的是一位科学家工作在内布拉斯加大学林肯分校极光实验室。物理学家在实验室中使用目前最亮的光源改变了光子从电子中散射的方式。图片由通信大学|内布拉斯加大学林肯分校提供

典型情况下,当灯泡或太阳的光线撞击表面时,散射现象使视觉成为可能。但是电子通常一次只散射一个光子。普通电子很少享有这种特权,Umstadter说,每四个月左右只能打一次。

内布拉斯加大学林肯分校的物理学家利用最先进的光源,获得了高分辨率X射线USB驱动器。图像显示了通常的X光成像不可见的细节。图片由极光实验室|内布拉斯加大学林肯分校提供

虽然以往的激光实验已经从同一电子散射了几个光子,但是Umstadter的团队一次可以散射近1000个光子。在激光的超高强度下,光子和电子的行为与通常情况下不同。

“当我们利用这个难以想象的亮光,事实证明,通过散射——能够使所有物体可见的这一原理——将从根本上发生改变,”莱兰和多萝西奥尔森物理和天文学教授Umstadter说。

一个来自标准光的光子撞击电子后通常会以相同的角度和能量散射,不管它的光有多亮。然而,Umstadter的团队发现,超过某个阈值后,激光的亮度改变了散射光的角度、形状和波长。

Umstadter说,“因为你提高了光线的亮度,所以事情就好像不一样了,而这不是你通常会遇到的情况。(一个物体)通常会变得更亮,但它看起来就像是在较低的光照水平上。这里的光线正在改变(物体)的外观,光线以不同的角度出现,具有不同的颜色,这取决于它有多亮。”

这种现象部分源于电子的变化,它摒弃了通常的上下运动,以“8”字形模式运动。正如在正常条件下一样,电子也弹射自己的光子,被入射光子的能量激发。但研究人员发现,弹出的光子吸收了所有散射的光子的集体能量,发出X射线的能量和波长。

如图所示一个电子运动(下方图)的变化如何改变光的散射(上方图),在一个新的实验中测量到从单个电子散射了500多个光子。以前的实验一次只能散射几个光子。图片由极光实验室|内布拉斯加大学林肯分校提供

Umstadter说,这种X射线的独特性质可以用多种方式加以应用。其极窄范围的能量和非常短的持续时间,可以帮助在纳米尺度上产生三维图像,同时减少生产它们所需的剂量。

这些品质使它能够寻找肿瘤或规避常规X射线的微裂缝,将纳米材料的分子景观映射到半导体技术,或在安全检查站检测日益复杂的威胁。原子和分子物理学家也可以使用X射线作为超快相机,来捕获电子运动或化学反应的快照。

作为物理学家,Umstadter和他的同事也对其实验的科学含义表示兴奋。通过建立激光的亮度与其散射光性质之间的关系,该团队证实了最近提出的用于测量激光器峰值强度的方法。该研究还支持了一些由于技术限制使物理学家无法直接测试的长期假设。

Umstadter说:“多年来,有许多理论从未在实验室中进行过测试,因为我们从未有足够亮的光源进行实验。对于会发生什么事情有各种预测,我们已经确认了其中一些预测。”

“这是我们所说的电动力学的一部分,所有的物理学家都有关于经典电动力学的教科书,从某种意义上说,这是一个真正的教科书实验。”

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