有望用于检测空气中痕量化学物质的激光方法

研究人员开发出一种新的基于激光的方法，可以以前所未有的灵敏度检测感兴趣的电荷和化学物质。有朝一日，新方法可以提供一种扫描大面积放射性物质或危险化学品的方法，用于安全和安全应用。

这种被称为中红外皮秒激光驱动的电子雪崩的新技术可检测出极低的电荷密度 - 空气或其他气体中一定体积的电荷数量。研究人员能够测量放射源产生的空气中电子密度，其水平低于每千万亿分之一，相当于从一百亿个正常空气分子中挑选出一个自由电子。

在Optica，光学学会的期刊上，马里兰大学的研究人员报告说，使用这种新方法来校准用于检测1米外辐射空气的激光。他们说这种方法可以应用于检测其他化学物质和物种，并且可以按比例放大，以便在10米的距离进行远程检测，最终可以达到100米。

“我们可以确定电荷密度太低而无法用任何其他方法测量，”该报的第一作者丹尼尔伍德伯里说。“我们证明了该方法检测放射源的能力，但它最终可用于任何需要测量气体中痕量化学物质的情况，例如帮助追踪污染，化学品或安全隐患。”

检测空气中的电子

这项新技术基于一种称为电子雪崩的过程，其中激光束加速气体中的单个自由电子，直到它获得足够的能量从分子中敲出不同的电子，从而产生第二个自由电子。这个过程重复并发展成碰撞级联或雪崩，它以指数方式增长，直到激光焦点出现明亮的可观察火花。

“尽管自20世纪60年代以来激光驱动的电子雪崩已经存在，但我们使用了一种新型的高能长波激光器 - 皮秒中红外激光器 - 能够检测仅由初始自由电子接种的局部碰撞级联， “研究小组负责人Howard M. Milchberg说道。“当使用较短波长的激光脉冲时，接收雪崩的原始自由电子被激光光子直接产生的自由电子掩盖，而不是通过碰撞。”

该研究以该小组之前的工作为基础，该研究表明，由中红外激光驱动的雪崩击穿对放射源附近的电子密度敏感，并改变了击穿发生所需的时间。

“我们设想这种方法可以远程测量放射源附近的辐射，因为来自盖革计数器和闪烁体的信号，放射性衰变产品的常规探测器，远离源头的距离显着下降，”Robert M. Schwartz说，他是一名学生。项目。“ 然而，使用激光束，我们可以远程探测源附近空气中产生的电子。”

然而，在他们之前的实验中，由于雪崩生长呈指数增长，很难准确确定有多少电子正在播种。“10,100甚至1000个电子都可以产生非常相似的信号，”伍德伯里说。“虽然我们可以使用理论模型进行粗略估计，但我们无法明确说出我们测量的电子密度。”

在新的研究中，研究人员意识到，对于正确的激光脉冲长度，激光焦点内的单个电子所接种的多次击穿将保持不同。拍摄激光聚焦体积的图像并计算这些火花 - 每个由单个电子接种 - 相当于测量这些原始种子电子的密度。

他们发现，具有50皮秒脉冲持续时间的中红外激光(3.9微米波长)在波长和脉冲持续时间方面都达到了最佳点。

灵敏度加上位置和时间信息

研究人员利用它来测量放射源附近产生的电荷密度，从而证明了检测概念的可行性。他们测量的电子密度低至每立方厘米1000个电子的浓度，受到来自宇宙射线的空气中的背景电荷和自然发生的放射性的限制。该方法用于精确地对其激光雪崩探针进行基准测试，以远程检测放射源。

“其他方法仅限于大约1000万倍高的电子浓度，几乎没有空间和时间分辨率，”Milchberg说。“我们的方法可以直接对电子进行计数，并在大约10皮秒的时间尺度上以10微米的精度确定它们的位置。”

研究人员表示，该技术可用于测量来自各种来源的超低电荷密度，包括强场物理相互作用或化学物质。“将皮秒中红外激光器与选择性电离感兴趣分子的第二激光器配对，可以使该技术测量化学物质的存在，其灵敏度远远高于万亿分之一，即检测气体中极小浓度的当前限制，“伍德伯里说。他们正在继续努力使该方法更适用于该领域。

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