研究人员开发了一种基于激光的新技术，可以以前所未有的灵敏度探测人们感兴趣的电荷和化学物质。这种新技术有望在将来提供一种探测大面积放射性物质或危险化学品的方法，以用于安全应用。
       这项被称为中红外皮秒激光驱动电子雪崩的新技术，可以探测到空气或其他气体中极低的电荷密度(在一定体积内的电荷数)。研究人员能够测量辐射源产生的空气中的电子密度，其水平低于千万亿分之一，相当于从百亿个正常空气分子中选出一个自由电子。
       在光学学会出版的《光学学报》(Optica)上，来自马里兰大学(University of Maryland)的研究人员报告称，他们使用这种新技术校准了用于检测1米外受辐射空气的激光。他们说，这种方法可以用于检测其他化学物质和物种，并可以扩大到10米甚至100米的距离进行远程检测。
       论文的第一作者丹尼尔·伍德伯里(Daniel Woodbury)说：“我们可以确定电荷密度太低，无法用任何其他方法测量。”“我们展示了这种方法检测放射源的能力，但它最终可以用于任何需要测量气体中微量化学物质的情况，比如帮助追踪污染、化学品或安全隐患。”
探测空气中的电子 
       这项新技术是基于一种被称为电子雪崩的过程，在这个过程中，激光束加速气体中的单个自由电子，直到它获得足够的能量将另一个电子从分子上撞下来，从而产生第二个自由电子。这个过程重复并发展成一个碰撞级联或雪崩，电子数呈指数增长，直到一个明亮的可观察到的火花出现在激光焦点。
    “尽管激光驱动的电子雪崩自20世纪60年代以来就已经存在，但我们使用了一种新的高能长波长激光器——皮秒中红外激光器，来探测只由初始自由电子发射的局部碰撞级连，”研究小组负责人霍华德(Howard M. Milchberg)说。“当使用较短波长的激光脉冲时，最初播下雪崩种子的自由电子被直接由激光光子产生的自由电子所掩盖，而不是通过碰撞。” 该研究建立在该小组之前工作的基础上，该研究表明，中红外激光器驱动的雪崩击穿对放射源附近电子的密度很敏感，并改变了击穿发生所需的时间。
    “我们设想用这种方法远程测量放射源附近的辐射，因为传统的放射性衰变产物探测器盖革计数器和闪烁体发出的信号，在远离放射源的地方会显著下降，”参与该项目的学生罗伯特(Robert M. Schwartz)说。“然而，利用激光束，我们可以远程探测到源附近空气中产生的电子。”
       然而，在他们之前的实验中，由于雪崩的增长是指数级的，所以很难确定到底有多少电子正在播下击穿的种子。伍德伯里说：“10个、100个甚至1000个电子都可以产生非常相似的信号。虽然我们可以用理论模型给出粗略的估计，但我们不能确定我们所测量的电子密度是多少。”
       在这项新工作中，研究人员意识到，对于合适的激光脉冲长度，激光聚焦内单个电子引发的多次击穿将保持不同。拍摄激光聚焦体积的图像，并计算这些火花，每个火花由单个电子播下，相当于测量这些原始种子电子的密度。他们发现，波长为50皮秒的中红外激光器(3.9微米波长)在波长和脉冲持续时间方面都达到了最佳状态。
灵敏度加上位置和时间信息 
       研究人员通过测量电离空气的放射源附近产生的电荷密度，证明了探测概念的可行性。他们测量了电子密度到每立方厘米1000个电子的浓度，这受到来自宇宙射线的背景电荷和自然发生的放射性的限制。利用该方法对其激光雪崩探测器进行了精确的基准检测，实现了对放射源的远程探测。
       霍华德说:“其他的方法被限制在大约1000万倍高的电子浓度下，几乎没有空间和时间分辨率。我们的方法可以直接计数电子，并在10皮秒的时间尺度上以10微米的精度确定它们的位置。”
       研究人员认为，这项技术可以用来测量各种来源的超低电荷密度，包括强场物理相互作用或化学物质。伍德伯里说：“将皮秒中红外激光器与选择性电离分子的第二束激光配对，可以让这项技术测量灵敏度远远超过万亿分之一的化学物质的存在。万亿分之一是目前检测气体中非常小的浓度的极限。”他们正在继续努力使这种方法更具有实用性。

图：雪崩过程的表现：激光聚焦中出现的初始电子(黑色/白色背景)被加速，并获得足够的能量从中性空气分子中释放电子(如图蓝色所示)。随着时间的推移，这个过程以级联的形式重复，导致在每个种子电子附近有许多自由电子的击穿火花。

微信分享

x

用微信扫描二维码
分享至好友和朋友圈

网站内容来源于互联网、原创，由网络编辑负责审查，目的在于传递信息，提供专业服务，不代表本网站及新媒体平台赞同其观点和对其真实性负责。如因内容、版权问题存在异议的，请在 20个工作日内与我们取得联系，联系方式：021-80198330。网站及新媒体平台将加强监控与审核，一旦发现违反规定的内容，按国家法规处理，处理时间不超过24小时。