我国首例飞秒时间分辨近场光学系统成功实现

    近年来，随着飞秒脉冲激光技术的发展，飞秒时间分辨光谱技术在纳米材料的载流子弛豫动力学、化学反应动力学、光合作用超快过程等研究领域得到了广泛应用。其中很多研究对象的超快动力学性质具有高度空间依赖性，如纳米材料、量子线、量子点以及光合系统捕光色素复合物等。由于普通的远场飞秒光谱技术受到衍射极限的限制，无法对纳米结构的非均一性所造成的精细结构加以分析，因此有必要在突破光学衍射极限的尺度上进行探测，而近年来发展的扫描近场光学显微镜（SNOM）可以满足上述这一要求。

　北京大学物理学院张家森教授 等人在今年6月出版的《物理学报》上，发表了题为“飞秒时间分辨近场光学系统实现及其应用”的论文。这是国内首例实现飞秒光脉冲和近场光学显微镜相结合，成功实现了三维空间加一维时间的四维高分辨光谱，从而为研究介观尺度下的超快物理过程提供了有力的工具。

　该论文作者在实验技术和方法上具有创新性，他们实现飞秒光脉冲和近场光学显微镜相结合，成功实现了飞秒时间分辨近场光学系统。该系统通过高频声光调制和差频锁相探测，极大提高了信噪比并消除了抽运、探测光本底信号，从而在收集模式下测得了飞秒时间分辨的透射光微弱信号变化。同时获得了80nm的空间分辨和小于200fs的时间分辨测量。利用该实验系统，研究了金纳米结构的热电子弛豫动力学过程，观察到了不同位置间热电子弛豫动力学的差异。

　　飞秒时间

　物理学上两个重要的尺度：空间尺度和时间尺度，由于纳米科技的发展，人们已经能研究纳米尺度甚至亚纳米尺度的物理过程。在时间尺度上，电子技术只能分辨皮秒（10的负12次方）量级的物理过程，而很多重要的过程，如化学反应及光合作用等，往往发生在飞秒（10的负15次方）量级。目前能够探测飞秒物理过程的反应是利用光学反应，利用飞秒光脉冲作为时间尺子，测量飞秒量级的超快物理学过程。为了测量纳米尺度的超快物理过程，必须用光学反应，但普通光学显微镜的空间分辨率只能达到微米到亚微米，为了获得纳米量级的光学空间分辨，必须用近年来的近场光学显微镜。

　　研究目的

　其研究主题是将飞秒激光的高时间分辨为近场光学显微镜的高空间分辨结合起来，获得能够研究纳米尺度的超快动力学过程的飞秒近场光学系统。本系统的难点有两个：一是飞秒激发和近场光学系统结合后，其信号非常弱，往往淹灭在噪声当中，无法测探；二是飞秒激光脉冲经过近场光学系统的光纤探针后，被展宽成皮秒脉冲，使时间分辨降低。经过两年的努力，我们成功解决了上述两个难点，实现了国内首例飞秒近场光学系统，达到国际先进水平，时间分辨达到170飞秒，空间分辨率达到80纳米。在国际上，只有瑞典、日本等几个研究小组实现了飞秒近场光学系统。