为什么用光照一下，奥特曼就能复活？

原创：中科院物理所

虽然六一已经过去好几天了，

但是小编还沉浸在回忆童年的氛围之中。

对于小编来说，童年就是那年夏天我变成了光！

说到这个，

奥特曼里面的一些设定又引起了我的思考：

为什么奥特曼能量耗尽后需要光的照射才能复活？

小编冥思苦想终于想明白了，

奥特曼是光，

光复活了奥特曼，

那不就是光致发“光”吗？

（这个笑话的精髓在于将奥特曼和光画等号）

小编今天就带大家看一下，在实验室中，如何用光产生光？

Part I  电子的跃迁

早在十七世纪时，牛顿将三棱镜放到白光底下，看到透过的光变成了由红光到紫光的一系列色光。

我们知道这个现象叫做光的色散，这是因为不同波长的光在玻璃棱镜中的折射率不同，从而导致出射的位置不同，最终表现出的结果就是棱镜将不同颜色的光分开。

来源：百度图片

所以利用一个棱镜就可以由一束白光产生一束七彩光。

值得一提的是，牛顿的色散实验被美国《 物理学世界 》 评为“十大最美物理实验 ”之一。

这个实验也非常简单，小朋友们在家将一块三角透明玻璃放到太阳光下照射，就会在后面的白色屏幕上看到七彩的光谱哟~。

随着人们对光的本质的认识的深入，1888年赫兹用实验证明了电磁波的存在。并通过一系列实验证明了除了可见光波以外，红外线、紫外线、X射线，γ射线等均是不同频率（波长）的电磁波。下图给出了全波段电磁波的频谱谱图。

来源：维基百科

光的波长λ，频率ν，光速c之间的关系为：c=λν。

随着量子力学的建立，人们知道了物质是由原子组成。原子中的电子分布在一系列的能级之上。电子如果从高能级跃迁到低能级就会辐射电磁波，也就是发射光子。

电子在无外界干扰的情况下自发地从高能级跃迁到低能级的发光过程是自发辐射过程。

图：电子的自发辐射过程

实现这一过程的前提当然是先将电子从低能级跃迁到高能级上。

通过电场补给能量的过程就是电致发光，比如日光灯，汞灯。

通过用更高能量的射线，比如电子束，x射线，紫外线，可见光照射物体，使物体内部的电子吸收能量到达到高能级再跃迁回低能级发光的过程就是荧光过程。

除此之外，有些物质在被上述射线照射后会持续地发光一段时间，这个过程就是磷光过程。比如夜光表发光的过程[1]。

除了这些直接跃迁到高能级的光致发光过程以外，还有没有其他间接跃迁的方法使电子从低能级跃迁到高能级的方法呢？

上转换发光过程就是一个例子。顾名思义，就是用一束低能量的光（比如红外光）照射到材料上，材料发射更高能量的光（比如绿光）。

等等，这好像和我们前面所述的用更高能量的光照射荧光物质发射更低能量的光相反，直觉上好像不能实现，这是怎么回事呢？

原来，在陶瓷、晶体和玻璃中掺杂稀土元素，比如Er³⁺，Tm³⁺和Ho³⁺，就可以做成上转换发光材料[2]。

被掺杂的材料作为基质材料，掺杂元素离子被称为激活剂，其能级一般为阶梯能级。

在发光时，离子要连续吸收两个以上的光子，从而由基态向激发态过渡，然后再由辐射跃迁回到基态或低能量激发态，实现上转换发光。

图：上转换发光过程，连续吸收两个光子跃迁到高能级

为了使得发光过程中可以实现对光子的连续吸收和能量转换，激活剂离子至少要有三个邻近的能级且能量差异非常小。

此外，当更多的离子处在中间激发态时，一个离子从激发态回到基态或更低的激发态时放出能量，另一个离子就会吸收这些能量则向更高的能量水平跃迁，这就是发生了交叉弛豫上转换[2]。

图：交叉弛豫上转换过程

还可以通过在上转换材料中掺杂额外的敏化剂离子，辅助激活剂离子的能量向更高能级处跃迁。其中基质材料中的声子也可能会参与到能量上转换吸收过程[2]。

图：声子辅助敏化剂发生能量连续吸收上转换发光

所以我们可以用光照射荧光材料产生各种各样的荧光。

值得一提的是，虽然材料发光都是单一能级跃迁，理论上发射的光子的波长是单一的。

但是我们仔细研究材料的发光光谱就可以知道，材料发射光的波长都是有一定的谱线宽度的。比如氢原子的发光光谱的谱线具有一定的宽度。

图：氢原子发射光谱具有一定的谱线宽度，来源：百度图片

这是因为电子在跃迁过程中需要在能级上停留一段时间，这个时间被称为能级寿命。能级寿命与频带宽度成反比，也就是说跃迁越快，频谱越宽。

对于实际材料来说，由于微观粒子的热运动，原子之间互相碰撞，会导致电子更容易发生跃迁，从而增宽谱宽。或者由于原子运动导致其和光谱分析仪器之间发生了多普勒效应而增宽谱宽[1]。

Part II 非线性的世界

前面提到了自发辐射产生了荧光。如果电子一开始就处于一个更高的能级，此时在受到外界光子的干扰时，向更低能级跃迁的过程就是受激辐射过程。

图：受激辐射过程

只有当入射光子的能量等于高低能级之间的差时受激辐射更容易产生。也就是说，一个光子入射经过受激辐射后发射了两个光子。

这个过程被用来制作激光器。关于连续激光以及脉冲激光的产生我们在之前的推文中就详细讲过。

在此我们简单总结一下，引入多能级系统使较高能量的能级比低能级拥有更多的电子，随后受激辐射过程使入射光放大，最后通过谐振腔输出高功率的激光。

同时周期性调节谐振腔的损耗实现锁模过程从而产生脉冲光，最后啁啾脉冲放大技术实现高功率的脉冲激光输出。

所以我们用光照射位于谐振腔中的多能级晶体就可以产生激光。

激光由于其强相干性，尤其是对于脉冲激光来说，更是具有极强的瞬时功率，从而更容易完成一些普通光源无法做到事情。

比如1961 年 Franken 等人采用下图所示的实验装置发现：694.3nm 红宝石激光入射到石英晶体上，出射光中出现了一条波长为 347.15nm 的新谱线，频率是入射光的两倍 ，这就是光倍频现象。

图：光倍频产生实验装置示意图

光经过介质后频率发生改变就是一种典型的非线性光学现象。这种介质被称为非线性介质。

由于光是电磁波，所以其在介质中的传播遵循麦克斯韦方程组。光与物质的相互作用主要是电作用，所以介质一般都是没有磁性的。

由此可以写出光波传输的方程组[3]：

其中

其中P就是电场诱导出的介质的极化强度。

我们都知道物体由原子组成，原子有外层电子和内层电子。

对于有的原子来说，外层电子可以脱离原子的束缚使原子核和内层电子变成正离子。或者另一些原子的外层得到一些电子变成负离子。

在固体内部正离子和电子，正离子和负离子指间就会形成正负电荷对，称为电偶极子。

图：固体内部的电偶极子示意图，来源：维基百科

电偶极子也会产生一个内部电场，在外部电场的作用下就会排列到一个方向上，从而改变总的电场强度。电场的改变量就是极化强度。

极化强度就包含线性部分和非线性部分：

我们可以将非线性部分写成展开的级数形式：

其中第n-1项就是和光电场E的n次方有关的极化强度分量，称为n阶非线性极化强度。根据上面的麦克斯韦方程组，我们可以看到，极化强度就会影响光场的强度。

我们以二阶非线性极化强度为例，光电场可以写为:

这里w1和w2代表有两个光子入射到介质中。

二阶非线性极化强度为：

可以看到二阶非线性过程产生了光倍频过程，频率增大的和频过程，频率减小的差频过程，以及光学整流过程。

相应的，三阶非线性光学则包括三次谐波产生以及其他过程。

光学和频过程和高次谐波过程可以产生高能量的紫外线、极紫外线，甚至x射线，会更加简单、安全、低成本。

通过组合不同的非线性晶体、谐振腔，可以搭建光学参量放大系统（OPA）来实现对入射光的频率连续调节。

图：光学参量放大系统（OPA）应用示意图

一般来说，非线性光学效应的效率很低，只有高功率的激光或者脉冲激光更容易实现非线性效应。

所以我们用激光照射非线性晶体就可以产生不同波长的新的激光。

Part III 新的宠儿--太赫兹

前面提到，在二阶非线性光学效应中，存在一个光整流效应，我们现在来具体看一下它。

直观上来看，光整流效应实际上是单色的高强度激光经过非线性介质后产生了一个直流的极化电场。

1962年，Bass等人用一个红宝石激光器照射一个KDP晶体，在其表面电极上测到了一个直流电压[3]。

实际上，这样的一个静态的光整流过程并没有什么应用价值，但是，光整流效应拥有极高的响应速度（10^-13s）。

所以，如果用一个脉冲光去激发光整流效应，由于脉冲光的频谱是由一些列单色光组成，所以各个波长的单色光在介质中就会发生混合。

图：脉冲光的频谱

其中差频混合过程就会产生一个随时间变化的低频振荡电场，振荡电场与脉冲光的脉宽有关。

若入射脉冲光的脉宽为亚皮秒级别，那么产生的低频振荡电场的频率就是太赫兹量级[3]。

利用例如LiNbO3，ZnTe 等无机晶体的光整流效应产生太赫兹脉冲光已经是常见的技术。

太赫兹脉冲光在基础科学研究领域（比如太赫兹光谱学）、国防军事领域（比如隐身武器）、民生科技领域（比如太赫兹通讯（6G），医疗影像）均有着广阔的应用前景。

除此之外，对于一些半导体，比如GaAs，或InGaAs，当脉冲光刚到达半导体表面时，大量的载流子（比如电子）被很快地从价带激发到导带，此时给半导体额外施加一个电场，载流子在电场的作用下就会加速。

根据麦克斯韦电磁理论，运动的电荷也会辐射电磁波，这时在外加电场下被加速的电子就会辐射出太赫兹电磁波。

这是通过光电导效应产生太赫兹脉冲光[4]。

与此同时，麦克斯韦电磁理论也告诉我们，磁偶极子的振荡也可以辐射电磁波。所谓的磁偶极子和电偶极子一样，由于不存在单独的“磁荷”，所以磁性物质内部的磁矩就是一个磁偶极子。

图：晶体内部的磁矩示意图，来源：参考文献[5]

超快激光脉冲激发磁性物质内部的磁矩后，磁矩就会沿着一个方向振动，从而辐射出太赫兹波段的脉冲光。

辐射电场与磁矩之间的关系为[4]：

随着现代电子技术的不断发展，传统的电子学器件受到摩尔定律的制约不能做到进一步的突破。所以自旋电子学器件的研究应运而生，自旋电子学器件具有响应速度更快，能耗更低等优点。

所谓自旋就是电子所固有的一个属性，和电荷、质量一样都属于电子最基本的性质。

磁性物质的磁性除了来源于电子在原子轨道上的运动电流以外，还来自于电子的自旋。

人们发现，利用电子自旋也可以产生太赫兹脉冲，这就是自旋太赫兹器件。

其具体过程是构造一个由磁性物质（比如Fe，CoFeB）和非磁性物质（比如重金属Pt，W）贴在一起做成一个异质结。

图：飞秒脉冲激光泵浦异质结产生太赫兹脉冲，来源：参考文献[6]

由于界面处磁性物质和非铁磁物质间存在净自旋排列，在脉冲激光的激发下，位于磁性物质中的电子就会扩散到非铁磁物质中，就形成了一个注入的自旋流。

自旋流在非铁磁物质的传播过程中，由于电子自旋和轨道之间的强力耦合，自旋流就转化成了垂直方向的电荷流，这个电荷流的衰减过程就会辐射太赫兹脉冲[6]。

自旋太赫兹器件还具有谱宽更宽，成本更低等优点[4]。

所以我们将脉冲激光照射到非线性晶体、半导体、异质结上可以产生太赫兹脉冲光。

结语

经过今天的讨论，我们可以知道：用光产生光是一件复杂丰富但也很靠谱的事情。

利用不同的物质，我们用自然光产生了七彩光，用一些光产生了荧光，用普通光产生了激光，用激光产生了不同频率的光。

所以，文西发明的必须在光的照射下才能发光的手电筒，说不定真的是有用的呢！

来源：国产凌凌漆

参考文献：

[1] 赵凯华，新概念物理教程-光学，高等教育出版社，2004年第一版。

[2] 陈巧玲，固体中铋和锰激活离子多价态及光致发光的第一性原理研究，中国科学技术大学博士论文，2022年。

[3] 石顺祥，非线性光学，西安电子科技大学出版社，2012年第二版。

[4] 许涌，自旋电子太赫兹源研究进展，物理学报，69, 200703 (2020)。

[5] Xiaofeng Zhou, Orientation-dependent THz emission in non-collinear antiferromagnetic Mn3Sn and Mn3Sn-based heterostructures, Appl. Phys. Lett. 115, 182402 (2019)。

[6] Tom S. Seifert, Spintronic sources of ultrashort terahertz electromagnetic pulses, Appl. Phys. Lett. 120, 180401 (2022)。