有望用于檢測空氣中痕量化學物質(zhì)的激光方法

研究人員開發(fā)出一種新的基于激光的方法，可以以前所未有的靈敏度檢測感興趣的電荷和化學物質(zhì)。有朝一日，新方法可以提供一種掃描大面積放射性物質(zhì)或危險化學品的方法，用于安全和安全應用。

這種被稱為中紅外皮秒激光驅(qū)動的電子雪崩的新技術(shù)可檢測出極低的電荷密度 - 空氣或其他氣體中一定體積的電荷數(shù)量。研究人員能夠測量放射源產(chǎn)生的空氣中電子密度，其水平低于每千萬億分之一，相當于從一百億個正?？諝夥肿又刑暨x出一個自由電子。

在Optica，光學學會的期刊上，馬里蘭大學的研究人員報告說，使用這種新方法來校準用于檢測1米外輻射空氣的激光。他們說這種方法可以應用于檢測其他化學物質(zhì)和物種，并且可以按比例放大，以便在10米的距離進行遠程檢測，最終可以達到100米。

“我們可以確定電荷密度太低而無法用任何其他方法測量，”該報的第一作者丹尼爾伍德伯里說。“我們證明了該方法檢測放射源的能力，但它最終可用于任何需要測量氣體中痕量化學物質(zhì)的情況，例如幫助追蹤污染，化學品或安全隱患。”

檢測空氣中的電子

這項新技術(shù)基于一種稱為電子雪崩的過程，其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從分子中敲出不同的電子，從而產(chǎn)生第二個自由電子。這個過程重復并發(fā)展成碰撞級聯(lián)或雪崩，它以指數(shù)方式增長，直到激光焦點出現(xiàn)明亮的可觀察火花。

“盡管自20世紀60年代以來激光驅(qū)動的電子雪崩已經(jīng)存在，但我們使用了一種新型的高能長波激光器 - 皮秒中紅外激光器 - 能夠檢測僅由初始自由電子接種的局部碰撞級聯(lián)， “研究小組負責人Howard M. Milchberg說道。“當使用較短波長的激光脈沖時，接收雪崩的原始自由電子被激光光子直接產(chǎn)生的自由電子掩蓋，而不是通過碰撞。”

該研究以該小組之前的工作為基礎(chǔ)，該研究表明，由中紅外激光驅(qū)動的雪崩擊穿對放射源附近的電子密度敏感，并改變了擊穿發(fā)生所需的時間。

“我們設(shè)想這種方法可以遠程測量放射源附近的輻射，因為來自蓋革計數(shù)器和閃爍體的信號，放射性衰變產(chǎn)品的常規(guī)探測器，遠離源頭的距離顯著下降，”Robert M. Schwartz說，他是一名學生。項目。“ 然而，使用激光束，我們可以遠程探測源附近空氣中產(chǎn)生的電子。”

然而，在他們之前的實驗中，由于雪崩生長呈指數(shù)增長，很難準確確定有多少電子正在播種。“10,100甚至1000個電子都可以產(chǎn)生非常相似的信號，”伍德伯里說。“雖然我們可以使用理論模型進行粗略估計，但我們無法明確說出我們測量的電子密度。”

在新的研究中，研究人員意識到，對于正確的激光脈沖長度，激光焦點內(nèi)的單個電子所接種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 - 每個由單個電子接種 - 相當于測量這些原始種子電子的密度。

他們發(fā)現(xiàn)，具有50皮秒脈沖持續(xù)時間的中紅外激光(3.9微米波長)在波長和脈沖持續(xù)時間方面都達到了最佳點。

靈敏度加上位置和時間信息

研究人員利用它來測量放射源附近產(chǎn)生的電荷密度，從而證明了檢測概念的可行性。他們測量的電子密度低至每立方厘米1000個電子的濃度，受到來自宇宙射線的空氣中的背景電荷和自然發(fā)生的放射性的限制。該方法用于精確地對其激光雪崩探針進行基準測試，以遠程檢測放射源。

“其他方法僅限于大約1000萬倍高的電子濃度，幾乎沒有空間和時間分辨率，”Milchberg說。“我們的方法可以直接對電子進行計數(shù)，并在大約10皮秒的時間尺度上以10微米的精度確定它們的位置。”

研究人員表示，該技術(shù)可用于測量來自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(zhì)。“將皮秒中紅外激光器與選擇性電離感興趣分子的第二激光器配對，可以使該技術(shù)測量化學物質(zhì)的存在，其靈敏度遠遠高于萬億分之一，即檢測氣體中極小濃度的當前限制，“伍德伯里說。他們正在繼續(xù)努力使該方法更適用于該領(lǐng)域。

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