如何通過(guò)激光脈沖刺激光纖尖端發(fā)射出電子

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）和內(nèi)布拉斯加州大學(xué)林肯分校展示了如何通過(guò)穿過(guò)光纖尖端的激光脈沖刺激光纖尖端發(fā)射出電子。

早期研究表明，光纖的納米尖端在受到光刺激時(shí)可以用作電子源。但直至今日，必須依靠來(lái)自外部的光源刺激，并且需與納米尖端的頂點(diǎn)完全對(duì)齊。

光纖納米尖端電子產(chǎn)生示意圖

該項(xiàng)目的研究成果發(fā)表在期刊New Journal of Physics。論文指出電子發(fā)射可以通過(guò)沿光纖本身傳播的激光脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種方式能夠讓電子的發(fā)射角度或位置突破其他方式無(wú)法完成的壁壘，從而實(shí)現(xiàn)更有效的納米級(jí)成像和傳感應(yīng)用。

內(nèi)布拉斯加州林肯大學(xué)Herman Batelaan談到：“以前，激光必須跟蹤光纖尖端，這從技術(shù)角度來(lái)講是非常困難的。這種難度限制了拍攝速度和拍攝位置。”

這項(xiàng)突破的關(guān)鍵在于找到降低所需激光功率的電子發(fā)射機(jī)制，特別是精心設(shè)計(jì)的光纖納米尖端。如果光纖的終端是尺寸正確的錐形鍍金納米尖端，據(jù)研究小組的計(jì)算表明，穿過(guò)光纖的激光脈沖場(chǎng)強(qiáng)將在尖端顯示出明顯的熱點(diǎn)，足以激發(fā)出電子。

等離子體：打開(kāi)問(wèn)題的“鑰匙”

為了驗(yàn)證這一理論，內(nèi)布拉斯加州林肯分校的團(tuán)隊(duì)讓飛秒激光通過(guò)光纖發(fā)出超短激光脈沖，該光纖的納米尖端半徑為50nm，涂有一層金薄膜，由ORNL制造。

使用500nm ~ 740nm波長(zhǎng)的激光測(cè)試證實(shí)，鍍金納米尖端確實(shí)能受控激發(fā)出電子。結(jié)果還表明，特定波長(zhǎng)的激光能增強(qiáng)納米尖端頂點(diǎn)的電場(chǎng)，這種行為被認(rèn)為與表面等離子體激元有關(guān)。

內(nèi)布拉斯加州林肯分校的Sam Keramati說(shuō)：“將飛秒激光調(diào)諧到正確的波長(zhǎng)（又稱為表面等離子體激元共振波長(zhǎng)），會(huì)發(fā)現(xiàn)超過(guò)閾值的發(fā)射。表面等離子體激元共振表明電子在金屬表面發(fā)生集體振蕩。當(dāng)電子從光子吸收足夠的能量，獲得發(fā)射的初始動(dòng)能時(shí)，就會(huì)發(fā)生超過(guò)閾值的發(fā)射?！?/p>

理論已經(jīng)得到證明，接著該項(xiàng)目還發(fā)現(xiàn)，只要提高納米尖端的電壓來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償，就可以用功率較小的連續(xù)波激光器獲得相似的結(jié)果。研究小組認(rèn)為，這代表了激發(fā)納米尖端電子發(fā)射的最小激光強(qiáng)度。

Batelaan指出：“現(xiàn)在，只需要花10美元購(gòu)買(mǎi)一個(gè)二極管激光器，您不用再花很多錢(qián)去購(gòu)買(mǎi)那些功能強(qiáng)大卻很昂貴的激光器了?！?/p>

壓縮光：顯微鏡的實(shí)用光源

ORNL展示的第二項(xiàng)突破技術(shù)表明，實(shí)驗(yàn)室使用壓縮光測(cè)量原子力顯微鏡的微懸臂梁位移時(shí)，這被視為非線性干涉量度術(shù)的首個(gè)實(shí)際應(yīng)用。

壓縮光是一種在非線性光學(xué)過(guò)程中產(chǎn)生的特定狀態(tài)，其電場(chǎng)的固有噪聲低于在真空中的固有噪聲，因此是量子計(jì)量學(xué)的一項(xiàng)重要技術(shù)。

據(jù)ORNL稱，該項(xiàng)目使用壓縮光代替激光測(cè)量原子力顯微鏡的微懸臂梁位移，其靈敏度相比傳統(tǒng)光子學(xué)技術(shù)提高了50%。

ORNL材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院Ben Lawrie介紹：“我們展示了如何使用壓縮光——一種量子信息科學(xué)的強(qiáng)大工具——作為顯微鏡的實(shí)用光源。我們測(cè)量了原子力顯微鏡微懸臂梁的位移，其靈敏度優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)量子極限。”