我國首例飛秒時間分辨近場光學系統成功實現

    近年來，隨著飛秒脈沖激光技術的發展，飛秒時間分辨光譜技術在納米材料的載流子弛豫動力學、化學反應動力學、光合作用超快過程等研究領域得到了廣泛應用。其中很多研究對象的超快動力學性質具有高度空間依賴性，如納米材料、量子線、量子點以及光合系統捕光色素復合物等。由于普通的遠場飛秒光譜技術受到衍射極限的限制，無法對納米結構的非均一性所造成的精細結構加以分析，因此有必要在突破光學衍射極限的尺度上進行探測，而近年來發展的掃描近場光學顯微鏡（SNOM）可以滿足上述這一要求。

　北京大學物理學院張家森教授 等人在今年6月出版的《物理學報》上，發表了題為“飛秒時間分辨近場光學系統實現及其應用”的論文。這是國內首例實現飛秒光脈沖和近場光學顯微鏡相結合，成功實現了三維空間加一維時間的四維高分辨光譜，從而為研究介觀尺度下的超快物理過程提供了有力的工具。

　該論文作者在實驗技術和方法上具有創新性，他們實現飛秒光脈沖和近場光學顯微鏡相結合，成功實現了飛秒時間分辨近場光學系統。該系統通過高頻聲光調制和差頻鎖相探測，極大提高了信噪比并消除了抽運、探測光本底信號，從而在收集模式下測得了飛秒時間分辨的透射光微弱信號變化。同時獲得了80nm的空間分辨和小于200fs的時間分辨測量。利用該實驗系統，研究了金納米結構的熱電子弛豫動力學過程，觀察到了不同位置間熱電子弛豫動力學的差異。

　　飛秒時間

　物理學上兩個重要的尺度：空間尺度和時間尺度，由于納米科技的發展，人們已經能研究納米尺度甚至亞納米尺度的物理過程。在時間尺度上，電子技術只能分辨皮秒（10的負12次方）量級的物理過程，而很多重要的過程，如化學反應及光合作用等，往往發生在飛秒（10的負15次方）量級。目前能夠探測飛秒物理過程的反應是利用光學反應，利用飛秒光脈沖作為時間尺子，測量飛秒量級的超快物理學過程。為了測量納米尺度的超快物理過程，必須用光學反應，但普通光學顯微鏡的空間分辨率只能達到微米到亞微米，為了獲得納米量級的光學空間分辨，必須用近年來的近場光學顯微鏡。

　　研究目的

　其研究主題是將飛秒激光的高時間分辨為近場光學顯微鏡的高空間分辨結合起來，獲得能夠研究納米尺度的超快動力學過程的飛秒近場光學系統。本系統的難點有兩個：一是飛秒激發和近場光學系統結合后，其信號非常弱，往往淹滅在噪聲當中，無法測探；二是飛秒激光脈沖經過近場光學系統的光纖探針后，被展寬成皮秒脈沖，使時間分辨降低。經過兩年的努力，我們成功解決了上述兩個難點，實現了國內首例飛秒近場光學系統，達到國際先進水平，時間分辨達到170飛秒，空間分辨率達到80納米。在國際上，只有瑞典、日本等幾個研究小組實現了飛秒近場光學系統。