非线性光学状态印在电子束上 – 物理世界

非线性光学状态印在电子束上 – 物理世界

时间戳：13年2024月1日下午53:XNUMX

<a href="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/nonlinear-optical-states-are-imprinted-on-an-electron-beam-physics-world-2.jpg" data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/nonlinear-optical-states-are-imprinted-on-an-electron-beam-physics-world-2.jpg" data-caption="Nonlinear effect: the photonic chip used in this study was mounted on a transmission electron microscope sample holder and packaged with optical fibres. (Courtesy: Yang et al./DOI: 10.1126/science.adk2489)”> 非线性光学芯片
非线性效应：本研究中使用的光子芯片安装在透射电子显微镜样品架上并用光纤封装。 （提供：杨 et al./DOI: 10.1126/science.adk2489)

瑞士和德国的科学家利用自由电子和非线性光学态之间的相互作用来定制可用于新型显微镜的电子束。该团队的领导者是 杨雨佳 在洛桑联邦理工学院。

电子显微镜使用聚焦的自由电子束以比光学仪器高得多的空间分辨率拍摄图像。提供超短脉冲的激光器使研究人员能够研究极短时间尺度内发生的现象。几十年来，这两种技术对科学家来说都非常有用。最近，研究人员将这两种技术结合起来，创造出更强大的实验方法，可以在超短时间尺度上操纵电子束。

非线性机会

然而，正如杨解释的那样，有一个特别重要的领域迄今为止尚未受到这些最新进展的影响。

“非线性光学现象在科学和技术中都至关重要，并预示着众多突破。然而，利用非线性光学效应控制自由电子束的实验研究却很少。使用自由电子来探测非线性动力学也没有经过实验研究。”

当光改变材料的光学特性时，就会产生非线性效应，从而影响光与材料的相互作用。这种情况通常发生在高光强度下，并且发生在光子晶体等材料中，这些材料可以被设计为具有特定的非线性特性。

为了将非线性光子学与电子显微镜结合起来，杨的团队使用了一种已知具有多种非线性光学效应的光子微谐振器。特别是，微谐振器的折射率随着光强度的变化而变化。

频率梳

非线性效应可用于创建光学频率梳。这些是一系列短光脉冲，其光谱由均匀间隔频率的尖峰组成——类似于梳子的齿。

杨说：“这种梳子不仅在基本时空模式形成动力学方面得到了深入研究，而且在技术上也得到了越来越多的应用。” “现在，我们将微谐振器中的这种非线性光学状态与电子显微镜中的电子束耦合起来。”

在他们的实验中，微谐振器被集成到芯片上并由连续波激光器驱动。该设备产生了称为耗散克尔孤子的频率梳脉冲。电子显微镜光束穿过微谐振器的一部分，并与光相互作用。这导致梳状脉冲的独特特征被印在电子束上——该团队能够观察到这些特征。

克尔孤子

杨描述了他们的成功，“我们能够产生耗散克尔孤子 原位，并通过光谱识别与飞秒孤子脉冲相互作用的电子。此外，我们直接从电子光谱中探测孤子特性，并检索孤子形成的标志特征。”

杨相信该团队的研究将以此为基础。 “我们的工作释放了以纳米飞秒时空分辨率探测超快瞬态非线性光学动力学的潜力，并直接进入腔内场，”他解释道。 “这可以帮助非线性集成光子学中关键工艺和组件的研究和开发。”

他们的方法还可以让研究人员创建能够生成全新光学波形的片上设备，这将为电子的高级控制提供新的可能性。

此外，通过利用自由电子和克尔孤子在小于 100 fs 的时间尺度上的相互作用，这种效应可以将电子显微镜推向更短的时间尺度，而无需对现有显微镜设计进行任何重大改变。

该研究描述于 科学.

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