用气体制造的超快透镜：更好的光束整形和光谱调控

海德堡马克斯·普朗克核物理研究所(MPIK)的研究人员利用原子气体作为随时间变化的透镜，对高强度高频激光脉冲进行空间整形和光谱调控。这种基于气体的光学元件有望为更好地控制 XUV 和 X 射线脉冲铺平道路，应用于化学反应操控、量子计算以及用于基础科学的先进光谱方法。该论文发表在《科学进展》期刊上。

控制光

已知最早用于操控光的人造透镜之一可追溯到公元前 700 年：在伊拉克尼姆鲁德发现了一块当时制造、宽近 4 厘米(1.6 英寸)的水晶。尽管该透镜最初的功能今天尚不完全清楚，但它表明人类甚至在那个时候就已经意识到材料具有聚焦光的特性。

这项知识的一个重要应用是两千多年后显微镜的发明，显微镜利用聚焦玻璃透镜的光学特性探索了此前未知的微观世界。

随着激光器以及后来短而强的激光脉冲的发明，科学家现在可以在极短时间内以极高强度产生高能光，从而提供更精确的材料加工手段，并进一步揭示微观过程。所用光的波长越短，脉冲就可以越短——我们也就越能精确地窥视原子和分子的量子世界。

在极紫外(XUV)光谱区，波长范围从几纳米到几十纳米，这使得脉冲持续时间可以达到阿秒量级(1阿秒=10-18秒)——快到足以直接追踪电子的运动。

激光脉冲强度变化的脉冲结构和远场光谱组成。

操控高能光的挑战

随着大型自由电子激光(FEL)设施的快速发展，科学家现在能够产生超短、高亮度的 XUV 光脉冲。然而，用于整形和操控这些光束的通用工具仍然稀缺。传统光学元件大多由玻璃制成，如透镜、反射镜或棱镜，可以轻易偏折、聚焦或分光可见光，但高能 XUV 光子会被这类标准光学元件强烈吸收，而不是被反射或折射。

但控制这些短波长脉冲的形状和光谱成分在现代物理学中具有重大意义，因为许多原子跃迁都位于这个能量范围内，有针对性地作用它们可能开辟新途径，例如控制化学反应或开发超快原子尺度量子计算机。

将气体变成动态折射元件

由海德堡马克斯·普朗克核物理研究所(MPIK)研究人员领导的国际研究团队展示了如何从空间和光谱成分两方面对 XUV 激光脉冲进行整形。他们利用了强光与物质之间复杂的非线性相互作用。当强 XUV 激光脉冲穿过光学稠密介质(如原子气体)时，它会迅速激发和退激发原子的能级。这一动态量子过程被称为拉比振荡，使电子在这些量子能级之间快速转移。

由于激光束天然在中心最强、越靠近边缘越弱，这种相互作用的强度在光束横截面上并不均匀。团队表明，这种径向强度变化会引起介质折射率的自诱导改变，这种改变在原子共振频率附近最为显著。

该研究第一作者 Yu He 博士解释说：“这种依赖强度的光-物质相互作用与激光脉冲在介质中传播时发生的宏观脉冲传播效应之间的共同作用，实际上把原子变成了一种折射元件，例如透镜或棱镜，气体靶将共振光——对应于电子跃迁——比其他频率更有效地向外偏转，从而重塑了其光谱。”

FLASH 实验验证

研究人员将汉堡 DESY(德国电子同步加速器中心)的自由电子激光装置 FLASH 产生的高强度 XUV 激光脉冲聚焦到含有氦原子的气体池中，从而获得了观测结果。脉冲的峰值光子能量为 21.2 eV，对应于氦原子中电子基本 1s-2p 跃迁的能量。

根据原始激光脉冲的强度不同，科学家观察到不同效应：在较低激光强度下，光在气体池内原子共振附近被吸收，但其空间形状保持不变。

然而，在较高激光强度和较高气压下，光束偏离原来的传播路径，尤其是在光谱中略低于和略高于原子共振能量的两个特定光子能量处。由于非线性效应和宏观脉冲传播效应，这导致了光谱中特征性的双峰结构。

通往未来应用之路

MPIK 所长 Thomas Pfeifer 教授说：“通过这一过程，我们能够产生一种随时间变化的透镜，可以在非常短的时间尺度上操控和整形光束及其光谱成分，这不仅将有助于进一步开发用于此类高频光应用的光学元件，还将使人们更详细地理解强辐射如何与共振介质相互作用并在其中传播的复杂过程。”

这些知识可能有益于未来的光谱技术，并可能为定制相干 XUV 和 X 射线脉冲的空间和光谱形状提供新方法，甚至可用于多种重要应用，例如通过特殊结构光控制化学反应以及在原子长度和时间尺度上进行超快(量子)计算。