自由电子和非线性光学态之间的相互作用已被瑞士和德国的科学家用来定制可用于新型显微镜的电子束。该团队由洛桑联邦理工学院的Yujia Yang领导。
电子显微镜使用聚焦的自由电子束以比光学仪器高得多的空间分辨率拍摄图像。提供超短脉冲的激光器使研究人员能够研究在非常短的时间尺度上发生的现象。几十年来，这两种技术对科学家都非常有用。最近，研究人员将这两种技术结合起来，创造了更强大的实验方法，可以在超短的时间尺度上操纵电子束。
然而，正如杨解释的那样，到目前为止，有一个特别重要的领域尚未受到这些最新进展的影响。
“非线性光学现象在科学和技术中都至关重要，并预示着许多突破。然而，使用非线性光学效应来控制自由电子束很少被实验研究;也没有使用自由电子来探测非线性动力学的实验研究。
当光改变材料的光学特性时，就会发生非线性效应，这反过来又会影响光与材料的相互作用方式。这通常发生在高光强度下，以及光子晶体等材料中，这些材料可以被设计成具有特定的非线性特性。
为了将非线性光子学与电子显微镜相结合，Yang的团队使用了一种光子微谐振器，该光子微谐振器已知具有多种非线性光学效应。特别是，微谐振器的折射率会随着光强度的变化而变化。
非线性效应可用于创建光学频率梳。这些是一系列短光脉冲，其光谱由均匀分布频率的尖峰组成——类似于梳子的齿。
“这种梳子不仅在基本的时空格局形成动力学方面得到了深入研究，而且在越来越多的应用中也得到了技术上的深入研究，”杨说。“现在，我们将微谐振器中的这种非线性光学状态与电子显微镜中的电子束耦合。
在他们的实验中，微谐振器被集成到芯片上，并由连续波激光器驱动。该器件产生了称为耗散克尔孤子的频梳脉冲。电子显微镜束通过微谐振器的一部分发送，在那里它与光相互作用。这导致梳状脉冲被印在电子束上的独特特征 - 该团队能够观察到这些特征。
Yang描述了他们的成功，“我们能够在原位产生耗散克尔孤子，并在光谱上识别与飞秒孤子脉冲相互作用的电子。此外，我们直接从电子光谱中探测孤子的性质，并检索孤子形成的标志性特征。
杨相信，该团队的研究将建立在此基础上。“我们的工作释放了以纳米-飞秒时空分辨率探测超快瞬态非线性光学动力学的潜力，并直接进入腔内场，”他解释说。“这可以帮助研究和开发非线性集成光子学中的关键过程和组件。
他们的方法还可以让研究人员创建产生全新光波形的片上设备，这将为电子的高级控制提供新的可能性。
此外，通过在短于100 fs的时间尺度上利用自由电子和克尔孤子之间的相互作用，这种效应可以将电子显微镜推向更短的时间尺度，而不会对现有的显微镜设计进行任何重大改变。
该研究在《科学》杂志上进行了描述。
