混合激光光束和X射线光束
来源：中国数字科技馆
手电筒射出的两束光交叉时不会相互影响，但在某些适当的“非线性材料”中相遇的超强激光脉冲却会受到影响。在这种情况下，光束会发生偏转，在一个被称为混波的过程中产生不同颜色的新光束。研究人员通过观察这种混波现象，可以得出原本无法观察的关于非线性材料中电子跃迁的结论。来自MBI和DESY的研究人员现在已经观察到了X射线如何与激光相互作用，这为未来超快过程的原子选择性研究铺平了道路。
（图片来源：Anne Riemann,Forschungsverbund Berlin e.V.）
与虚构的激光剑不同，真正的激光光束在交叉时不会有相互作用——除非光束在某些允许非线性光与物质相互作用的材料中相遇。在这种情况下，波的混合可以产生颜色和方向发生变化的光束。
随着激光器的广泛应用，已经牢固确立的不同光束之间的混波过程是非线性光学领域的基础之一。在一种合适的材料，比如特定的晶体中，两束激光光束可以“感觉到彼此的存在”。在混波过程中，光束之间的能量和动量可以交换，产生额外的具有不同方向和不同频率的激光光束，在可见光谱范围内显示为不同的颜色。这些效果通常用于设计和实现新的激光光源。
（图片来源：pixabay）
分析混波现象中出现的光束为了解发生混波过程的材料性质提供了新的方法。这种基于混波的光谱学让研究人员得以了解材料的电子结构复杂性，以及光是如何激发并与材料相互作用的。然而，到目前为止，这些方法几乎没有在可见光或红外光谱范围之外使用。
来自柏林的Max Born研究所（MBI）和汉堡的DESY的研究人员观察到一种涉及软X射线（能量较低，波长在1-30nm）的新型混波过程。使软X射线和红外辐射的超短脉冲在氟化锂（LiF）单晶中重叠，他们观察到两个红外光子的能量如何转移到X射线光子上或者从X射线光子转移，即以所谓的三阶非线性过程改变X射线的“颜色”。
他们不仅第一次用X射线观察到混波过程，而且还能够绘制出在改变入射X射线颜色时的效率。事实证明，只有在这个过程中来自锂原子内壳层的电子被激发到激子的状态，即电子与它留下的空位紧密结合时，混波信号才会被检测到。此外，与理论的比较表明，内壳电子的“光学禁止”跃迁有助于混波过程。通过对这种共振四波混合过程的分析，研究人员得到了光激发的电子在其非常短的寿命中传播的细节图像。参与这项工作的博士生Robin Engel说：“只有当被激发的电子定位在它留下的空穴附近时，我们才会观察到四波混合信号。因为我们使用的一种特定颜色的X射线，所以我们知道这个空穴离锂原子的原子核非常近。”
（图片来源：CC0 Public Domain）
由于X射线能够选择性地激发材料中的不同原子的内壳层电子，这种经过证明的方法允许研究人员追踪在被超快激光脉冲激发后在分子或固体中移动的电子。这些过程——电子在被光激发后向不同的原子移动——是光化学反应或应用中的关键步骤，比如光收集，通过光伏或直接产生太阳能燃料。
“由于我们的混波光谱方法可以在X射线激光器上扩展到更高的光子能量，元素周期表中的许多原子可以被选择性地激发。通过这种方式，我们希望能够追踪更复杂的材料中不同原子中电子的瞬态存在，为这些重要过程提供新的见解。”MBI的研究员Daniel Schick解释说。这项研究发表在《科学进展》（Science Advances）杂志上。
翻译：曹锡悦
审校：张和持
引进来源：Max Born非线性光学和短脉冲光谱学研究所（Max Born Institute for Nonlinear Optics and Short Pulse Spectroscopy,MBI）
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