科學家已經開發出一種基于激光的新方法，可以以前所未有的靈敏度檢測感興趣的電荷和化學物質。這種新方法有一天可能提供一種掃描大面積放射性物質或危險化學品的方法，用于安全和安全應用。這項新技術被稱為中紅外皮秒激光驅動的電子雪崩，它能探測到空氣或其他氣體中極低的電荷密度(特定體積中的電荷數)。研究人員能夠測量輻射源產生空氣中的電子密度，其水平低于千萬億分之一，相當于從百億個正常空氣分子中選出一個自由電子。
其研究發表在《光學學報》(Optica)上，馬里蘭大學研究人員報告稱，使用這種新方法校準了用于檢測1米外受輻射空氣的激光。這種方法可以用于檢測其他化學物質和物種，并可以擴大到10米甚至100米的距離進行遠程檢測。論文第一作者丹尼爾·伍德伯里說：可以確定電荷密度太低，無法用任何其他方法測量。”研究展示了這種方法檢測放射源的能力。但它最終可以用于任何需要測量氣體中微量化學物質的情況，比如幫助追蹤污染、化學品或安全隱患。
這項新技術是基于一個被稱為電子雪崩的過程，在這個過程中，激光束加速氣體中的單個自由電子，直到它獲得足夠的能量將另一個電子從分子上撞下來，從而產生第二個自由電子。這個過程重復并發展成一個碰撞級聯，或雪崩，增長指數，直到一個明亮的可觀察到的火花出現在激光焦點。盡管激光驅動的電子雪崩自20世紀60年代以來就存在。但該研究使用了一種新的高能長波長激光（皮秒中紅外激光）
來探測只由初始自由電子播下種子的局部碰撞級連，當使用較短波長的激光脈沖時，最初播下雪崩種子的自由電子被直接由激光光子產生的自由電子所掩蓋，而不是通過碰撞。該研究建立在該小組之前研究的基礎上，該研究表明，中紅外激光器驅動的雪崩擊穿對放射源附近電子的密度很敏感，并改變了擊穿發生所需的時間。研究設想用這種方法遠程測量放射源附近的輻射。
因為傳統放射性衰變產物探測器蓋革計數器和閃爍體發出的信號，在遠離放射源的地方會顯著下降。然而，利用激光束，可以遠程探測到源附近空氣中產生的電子，然而之前的實驗中，由于電子雪崩增長是指數級的，所以很難確定到底有多少電子正在播下擊穿的種子。10個、100個甚至1000個電子都可以產生非常相似的信號。
雖然可以用理論模型給出粗略的估計，但不能確定所測量的電子密度是多少。對于合適的激光脈沖長度，激光聚焦內單個電子引發的多次擊穿將保持不同。拍攝激光聚焦體積的圖像并計算這些火花的數量（每個火花由單個電子播下）相當于測量這些原始種子電子的密度。發現，波長為50皮秒的中紅外激光器(3.9微米波長)在波長和脈沖持續時間方面都達到了最佳狀態。
研究人員通過測量電離空氣放射源附近產生的電荷密度，證明了探測概念的可行性。測量了電子密度到每立方厘米1000個電子，這受到來自宇宙射線的背景電荷和自然發生的放射性限制。利用該方法對其激光雪崩探測器進行了精確的基準檢測，實現了對放射源的遠程探測。其他方法被限制在大約1000萬倍高的電子密度下，幾乎沒有空間和時間分辨率。該方法可以直接計數電子，并在10皮秒的時間尺度上以10微米的精度確定它們位置。
這項技術可以用來測量各種來源的超低電荷密度，包括強場物理相互作用或化學物質。將皮秒中紅外激光器與選擇性電離感興趣分子的第二束激光配對，可以讓這項技術測量靈敏度遠遠超過萬億分之一的化學物質存在。萬億分之一是目前檢測氣體中非常小密度的極限，研究人員正在繼續努力，使這種方法在實地更實用。
博科園｜研究/來自：光學學會
參考期刊《Optica》
DOI: 10.1364/OPTICA.6.000811
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