В отличие от вымышленных лазерных мечей, настоящие лазерные лучи не взаимодействуют друг с другом при пересечении — если только лучи не встречаются внутри подходящего материала, обеспечивающего нелинейное взаимодействие света и материи. В таком случае смешивание волн может привести к появлению лучей с измененным цветом и направлением.
Процессы смешения волн между различными световыми пучками являются краеугольным камнем области нелинейной оптики, которая прочно утвердилась с тех пор, как стали широко доступны лазеры. Внутри подходящего материала, такого как определенные кристаллы, два лазерных луча могут «чувствовать присутствие друг друга». При этом может происходить обмен энергией и импульсом, что приводит к появлению дополнительных лазерных лучей , выходящих из зоны взаимодействия в разных направлениях и с разными частотами, видимых в видимом спектральном диапазоне в виде разных цветов. Эти эффекты обычно используются для разработки и реализации новых источников лазерного излучения.
Анализ возникающих световых лучей при смешении волн дает представление о природе материала, в котором происходит процесс смешивания волн. Такая спектроскопия, основанная на смешении волн, позволяет исследователям понять тонкости электронной структуры образца и то, как свет может возбуждать материал и взаимодействовать с ним. Однако до сих пор эти подходы практически не использовались за пределами видимого или инфракрасного диапазонов спектра.
Группа исследователей из Института Макса Борна (MBI) в Берлине и DESY в Гамбурге наблюдала новый тип такого процесса смешивания волн с участием мягкого рентгеновского излучения. Перекрывая сверхкороткие импульсы мягкого рентгеновского и инфракрасного излучения в монокристалле фтористого лития (LiF), они увидели, как энергия от двух инфракрасных фотонов передавалась на рентгеновский фотон или от него, изменяя рентгеновский «цвет» в так называемый нелинейный процесс третьего порядка.
Они не только впервые наблюдали этот конкретный процесс с помощью рентгеновских лучей, но и смогли определить его эффективность при изменении цвета поступающих рентгеновских лучей. Оказывается, сигналы смешивания можно обнаружить только тогда, когда в процессе электрон внутренней оболочки атома лития переходит в состояние, в котором этот электрон прочно связан с оставленной им вакансией — состояние, известное как экситон. Кроме того, сравнение с теорией показывает, что в противном случае «оптически запрещенный» переход электрона внутренней оболочки вносит свой вклад в процесс смешивания волн.
Анализируя процесс резонансного четырехволнового смешения, исследователи получили подробную картину того, куда движется оптически возбужденный электрон за очень короткое время своего существования. «Только если возбужденный электрон находится в непосредственной близости от оставленной им дыры, мы наблюдаем сигнал четырехволнового смешения», — говорит Робин Энгель, доктор философии. студент, участвовавший в работе, «и поскольку мы использовали рентгеновские лучи определенного цвета, мы знаем, что эта дыра очень близка к атомному ядру атома лития».
Благодаря способности рентгеновских лучей избирательно возбуждать электроны внутренних оболочек различных видов атомов в материале, продемонстрированный подход позволяет исследователям отслеживать электроны, перемещающиеся в молекулах или твердых телах после того, как они были стимулированы сверхбыстрым лазерным импульсом. Эти процессы — движение электронов к различным атомам после возбуждения светом — являются важными этапами фотохимических реакций или приложений, таких как сбор света , например, с помощью фотогальваники или прямой генерации солнечного топлива.
«Поскольку наш подход спектроскопии смешивания волн может быть масштабирован до гораздо более высоких энергий фотонов в рентгеновских лазерах, многие различные атомы периодической таблицы могут быть избирательно возбуждены. Таким образом, мы ожидаем, что можно будет отслеживать временное присутствие электроны на многих различных атомах более сложного материала, что дает новое представление об этих важных процессах», — объясняет Дэниел Шик, исследователь из MBI.
Исследование было опубликовано в журнале Science Advances.
