等离子体透镜实现阿秒脉冲聚焦：突破极紫外光学传输瓶颈

《Nature Photonics》：Plasma lens for focusing attosecond pulses

本刊推荐：研究团队针对极紫外（XUV）阿秒脉冲聚焦难题，创新性提出氢等离子体透镜方案。通过毛细管放电产生抛物线型电子密度分布，实现80 eV宽带XUV脉冲高效聚焦（束腰80 μm），传输效率提升至80%以上，且可补偿阿秒啁啾（190 as压缩至165 as）。该技术为阿秒化学等光子通量敏感应用开辟新路径。

　　

在探索微观世界的征程中，科学家们一直渴望捕捉电子运动的瞬间影像。阿秒（1阿秒=10^-18秒）级光脉冲的出现，使得直接观测原子分子内电子的超快动力学成为可能。这类脉冲通常通过高谐波产生（HHG）技术获得，覆盖极紫外（XUV）到软X射线波段。然而，如何高效聚焦这些宽带超短脉冲，却成为制约其应用的瓶颈。传统折射透镜因材料在XUV波段的强吸收和色散效应无法使用；反射镜虽无吸收问题，但存在高损耗和系统复杂性挑战。更棘手的是，HHG过程中产生的阿秒脉冲常与强近红外（NIR）驱动激光共存，常规金属滤光片虽可阻挡NIR光，但会导致XUV光子损失高达80%以上。

为解决这一难题，德国马克斯·玻恩非线性光学与短脉冲光谱学研究所Evaldas Svirplys团队在《Nature Photonics》发表研究，提出一种基于氢等离子体的折射透镜。该透镜利用自由电子与光场的相互作用，形成梯度折射率分布，成功实现对20-80 eV宽带阿秒脉冲的聚焦，且兼具高传输效率与啁啾补偿能力。

研究团队主要采用三项关键技术：首先通过kHz重复频率钛宝石激光系统产生3.7 fs驱动脉冲，经18米长HHG束线生成中心能量20 eV与80 eV的阿秒脉冲；其次设计5厘米长蓝宝石毛细管放电装置，通过热流控制器精确调控氢气压力（63-200 mbar），产生抛物线型等离子体密度分布；最后结合刀口扫描法与光谱分辨成像系统，定量分析XUV聚焦光斑尺寸与时空特性。

等离子体透镜设计原理

研究基于等离子体折射率公式n=(1-ω_p²/ω²)^1/2（其中ω_p为等离子体频率，ω为光波频率），通过毛细管放电形成轴心电子密度最低的径向梯度分布。

模拟显示当氢气压力70 mbar时，80 eV光波在等离子体中相位超前，形成等效凹透镜效应。关键优势在于等离子体可每脉冲刷新，避免XUV损伤，且对NIR光产生发散作用（图1b），使XUV焦点处NIR强度降至10⁸ W/cm²，无需额外滤光。

XUV聚焦实验验证

在20 eV波段实验中，等离子体透镜将XUV束腰半径从97±2 μm压缩至40±2 μm（图2a），传输效率达62%。

光谱分辨测量显示聚焦性能与氢气压力呈规律性变化，与波动传播模拟高度吻合（图2b）。针对80 eV波段（图3a），团队首次实现该能量区间的透镜聚焦，测得束腰80±1 μm（图3c），虽数值孔径较小导致光斑较大，但色散效应微弱：全带宽积分束腰（80 μm）与单频点（79 μm）差异仅1 μm。

模拟预测若将毛细管延长至10 cm、压力提升至200 mbar，束腰可进一步压缩至27 μm（图3e）。

阿秒脉冲时空特性

脉冲传播模拟表明，变换极限90 as脉冲经透镜后仅展宽至96 as（图4a），群延迟色散是主要影响因素。更具突破性的是，透镜可补偿HHG固有的正啁啾（atto-chirp）：初始190 as chirped脉冲经70 mbar等离子体压缩至165 as（图4b），200 mbar条件下更可压至127 as，为泵浦-探测实验提升时间分辨率奠定基础。

本研究通过等离子体透镜实现了XUV阿秒脉冲的高效聚焦与时空调控，其核心价值在于三方面突破：一是利用等离子体与XUV光子的弱相互作用，将HHG束线传输效率从传统方法的10-20%提升至80%以上；二是通过电子密度梯度聚焦机制，避免常规光学元件的损伤与色散限制；三是独特的波长选择性聚焦特性，可实现XUV与NIR光的自然分离，为高通量阿秒实验提供新范式。未来结合千赫兹毛细管放电或激光加热等离子体技术，有望进一步压缩焦点尺寸，推动阿秒光谱在原子分子物理、半导体光刻等领域的应用。