為什麼用光照一下，奧特曼就能復活？_風聞

原創：中科院物理所

雖然六一已經過去好幾天了，

但是小編還沉浸在回憶童年的氛圍之中。

對於小編來説，童年就是那年夏天我變成了光！

説到這個，

奧特曼裏面的一些設定又引起了我的思考：

為什麼奧特曼能量耗盡後需要光的照射才能復活？

小編冥思苦想終於想明白了，

奧特曼是光，

光復活了奧特曼，

那不就是光致發“光”嗎？

（這個笑話的精髓在於將奧特曼和光畫等號）

小編今天就帶大家看一下，在實驗室中，如何用光產生光？

Part I  電子的躍遷

早在十七世紀時，牛頓將三稜鏡放到白光底下，看到透過的光變成了由紅光到紫光的一系列色光。

我們知道這個現象叫做光的色散，這是因為不同波長的光在玻璃稜鏡中的折射率不同，從而導致出射的位置不同，最終表現出的結果就是稜鏡將不同顏色的光分開。

來源：百度圖片

所以利用一個稜鏡就可以由一束白光產生一束七彩光。

值得一提的是，牛頓的色散實驗被美國《 物理學世界 》 評為“十大最美物理實驗 ”之一。

這個實驗也非常簡單，小朋友們在家將一塊三角透明玻璃放到太陽光下照射，就會在後面的白色屏幕上看到七彩的光譜喲~。

隨着人們對光的本質的認識的深入，1888年赫茲用實驗證明了電磁波的存在。並通過一系列實驗證明了除了可見光波以外，紅外線、紫外線、X射線，γ射線等均是不同頻率（波長）的電磁波。下圖給出了全波段電磁波的頻譜譜圖。

來源：維基百科

光的波長λ，頻率ν，光速c之間的關係為：c=λν。

隨着量子力學的建立，人們知道了物質是由原子組成。原子中的電子分佈在一系列的能級之上。電子如果從高能級躍遷到低能級就會輻射電磁波，也就是發射光子。

電子在無外界干擾的情況下自發地從高能級躍遷到低能級的發光過程是自發輻射過程。

圖：電子的自發輻射過程

實現這一過程的前提當然是先將電子從低能級躍遷到高能級上。

通過電場補給能量的過程就是電致發光，比如日光燈，汞燈。

通過用更高能量的射線，比如電子束，x射線，紫外線，可見光照射物體，使物體內部的電子吸收能量到達到高能級再躍遷回低能級發光的過程就是熒光過程。

除此之外，有些物質在被上述射線照射後會持續地發光一段時間，這個過程就是磷光過程。比如夜光錶發光的過程[1]。

除了這些直接躍遷到高能級的光致發光過程以外，還有沒有其他間接躍遷的方法使電子從低能級躍遷到高能級的方法呢？

上轉換髮光過程就是一個例子。顧名思義，就是用一束低能量的光（比如紅外光）照射到材料上，材料發射更高能量的光（比如綠光）。

等等，這好像和我們前面所述的用更高能量的光照射熒光物質發射更低能量的光相反，直覺上好像不能實現，這是怎麼回事呢？

原來，在陶瓷、晶體和玻璃中摻雜稀土元素，比如Er3+，Tm3+和Ho3+，就可以做成上轉換髮光材料[2]。

被摻雜的材料作為基質材料，摻雜元素離子被稱為激活劑，其能級一般為階梯能級。

在發光時，離子要連續吸收兩個以上的光子，從而由基態向激發態過渡，然後再由輻射躍遷回到基態或低能量激發態，實現上轉換髮光。

圖：上轉換髮光過程，連續吸收兩個光子躍遷到高能級

為了使得發光過程中可以實現對光子的連續吸收和能量轉換，激活劑離子至少要有三個鄰近的能級且能量差異非常小。

此外，當更多的離子處在中間激發態時，一個離子從激發態回到基態或更低的激發態時放出能量，另一個離子就會吸收這些能量則向更高的能量水平躍遷，這就是發生了交叉弛豫上轉換[2]。

圖：交叉弛豫上轉換過程

還可以通過在上轉換材料中摻雜額外的敏化劑離子，輔助激活劑離子的能量向更高能級處躍遷。其中基質材料中的聲子也可能會參與到能量上轉換吸收過程[2]。

圖：聲子輔助敏化劑發生能量連續吸收上轉換髮光

所以我們可以用光照射熒光材料產生各種各樣的熒光。

值得一提的是，雖然材料發光都是單一能級躍遷，理論上發射的光子的波長是單一的。

但是我們仔細研究材料的發光光譜就可以知道，材料發射光的波長都是有一定的譜線寬度的。比如氫原子的發光光譜的譜線具有一定的寬度。

圖：氫原子發射光譜具有一定的譜線寬度，來源：百度圖片

這是因為電子在躍遷過程中需要在能級上停留一段時間，這個時間被稱為能級壽命。能級壽命與頻帶寬度成反比，也就是説躍遷越快，頻譜越寬。

對於實際材料來説，由於微觀粒子的熱運動，原子之間互相碰撞，會導致電子更容易發生躍遷，從而增寬譜寬。或者由於原子運動導致其和光譜分析儀器之間發生了多普勒效應而增寬譜寬[1]。

Part II 非線性的世界

前面提到了自發輻射產生了熒光。如果電子一開始就處於一個更高的能級，此時在受到外界光子的干擾時，向更低能級躍遷的過程就是受激輻射過程。

圖：受激輻射過程

只有當入射光子的能量等於高低能級之間的差時受激輻射更容易產生。也就是説，一個光子入射經過受激輻射後發射了兩個光子。

這個過程被用來製作激光器。關於連續激光以及脈衝激光的產生我們在之前的推文中就詳細講過。

在此我們簡單總結一下，引入多能級系統使較高能量的能級比低能級擁有更多的電子，隨後受激輻射過程使入射光放大，最後通過諧振腔輸出高功率的激光。

同時週期性調節諧振腔的損耗實現鎖模過程從而產生脈衝光，最後啁啾脈衝放大技術實現高功率的脈衝激光輸出。

所以我們用光照射位於諧振腔中的多能級晶體就可以產生激光。

激光由於其強相干性，尤其是對於脈衝激光來説，更是具有極強的瞬時功率，從而更容易完成一些普通光源無法做到事情。

比如1961 年 Franken 等人採用下圖所示的實驗裝置發現：694.3nm 紅寶石激光入射到石英晶體上，出射光中出現了一條波長為 347.15nm 的新譜線，頻率是入射光的兩倍 ，這就是光倍頻現象。

圖：光倍頻產生實驗裝置示意圖

光經過介質後頻率發生改變就是一種典型的非線性光學現象。這種介質被稱為非線性介質。

由於光是電磁波，所以其在介質中的傳播遵循麥克斯韋方程組。光與物質的相互作用主要是電作用，所以介質一般都是沒有磁性的。

由此可以寫出光波傳輸的方程組[3]：

其中

其中P就是電場誘導出的介質的極化強度。

我們都知道物體由原子組成，原子有外層電子和內層電子。

對於有的原子來説，外層電子可以脱離原子的束縛使原子核和內層電子變成正離子。或者另一些原子的外層得到一些電子變成負離子。

在固體內部正離子和電子，正離子和負離子指間就會形成正負電荷對，稱為電偶極子。

圖：固體內部的電偶極子示意圖，來源：維基百科

電偶極子也會產生一個內部電場，在外部電場的作用下就會排列到一個方向上，從而改變總的電場強度。電場的改變量就是極化強度。

極化強度就包含線性部分和非線性部分：

我們可以將非線性部分寫成展開的級數形式：

其中第n-1項就是和光電場E的n次方有關的極化強度分量，稱為n階非線性極化強度。根據上面的麥克斯韋方程組，我們可以看到，極化強度就會影響光場的強度。

我們以二階非線性極化強度為例，光電場可以寫為:

這裏w1和w2代表有兩個光子入射到介質中。

二階非線性極化強度為：

可以看到二階非線性過程產生了光倍頻過程，頻率增大的和頻過程，頻率減小的差頻過程，以及光學整流過程。

相應的，三階非線性光學則包括三次諧波產生以及其他過程。

光學和頻過程和高次諧波過程可以產生高能量的紫外線、極紫外線，甚至x射線，會更加簡單、安全、低成本。

通過組合不同的非線性晶體、諧振腔，可以搭建光學參量放大系統（OPA）來實現對入射光的頻率連續調節。

圖：光學參量放大系統（OPA）應用示意圖

一般來説，非線性光學效應的效率很低，只有高功率的激光或者脈衝激光更容易實現非線性效應。

所以我們用激光照射非線性晶體就可以產生不同波長的新的激光。

Part III 新的寵兒--太赫茲

前面提到，在二階非線性光學效應中，存在一個光整流效應，我們現在來具體看一下它。

直觀上來看，光整流效應實際上是單色的高強度激光經過非線性介質後產生了一個直流的極化電場。

1962年，Bass等人用一個紅寶石激光器照射一個KDP晶體，在其表面電極上測到了一個直流電壓[3]。

實際上，這樣的一個靜態的光整流過程並沒有什麼應用價值，但是，光整流效應擁有極高的響應速度（10-13s）。

所以，如果用一個脈衝光去激發光整流效應，由於脈衝光的頻譜是由一些列單色光組成，所以各個波長的單色光在介質中就會發生混合。

圖：脈衝光的頻譜

其中差頻混合過程就會產生一個隨時間變化的低頻振盪電場，振盪電場與脈衝光的脈寬有關。

若入射脈衝光的脈寬為亞皮秒級別，那麼產生的低頻振盪電場的頻率就是太赫茲量級[3]。

利用例如LiNbO3，ZnTe 等無機晶體的光整流效應產生太赫茲脈衝光已經是常見的技術。

太赫茲脈衝光在基礎科學研究領域（比如太赫茲光譜學）、國防軍事領域（比如隱身武器）、民生科技領域（比如太赫茲通訊（6G），醫療影像）均有着廣闊的應用前景。

除此之外，對於一些半導體，比如GaAs，或InGaAs，當脈衝光剛到達半導體表面時，大量的載流子（比如電子）被很快地從價帶激發到導帶，此時給半導體額外施加一個電場，載流子在電場的作用下就會加速。

根據麥克斯韋電磁理論，運動的電荷也會輻射電磁波，這時在外加電場下被加速的電子就會輻射出太赫茲電磁波。

這是通過光電導效應產生太赫茲脈衝光[4]。

與此同時，麥克斯韋電磁理論也告訴我們，磁偶極子的振盪也可以輻射電磁波。所謂的磁偶極子和電偶極子一樣，由於不存在單獨的“磁荷”，所以磁性物質內部的磁矩就是一個磁偶極子。

圖：晶體內部的磁矩示意圖，來源：參考文獻[5]

超快激光脈衝激發磁性物質內部的磁矩後，磁矩就會沿着一個方向振動，從而輻射出太赫茲波段的脈衝光。

輻射電場與磁矩之間的關係為[4]：

隨着現代電子技術的不斷發展，傳統的電子學器件受到摩爾定律的制約不能做到進一步的突破。所以自旋電子學器件的研究應運而生，自旋電子學器件具有響應速度更快，能耗更低等優點。

所謂自旋就是電子所固有的一個屬性，和電荷、質量一樣都屬於電子最基本的性質。

磁性物質的磁性除了來源於電子在原子軌道上的運動電流以外，還來自於電子的自旋。

人們發現，利用電子自旋也可以產生太赫茲脈衝，這就是自旋太赫茲器件。

其具體過程是構造一個由磁性物質（比如Fe，CoFeB）和非磁性物質（比如重金屬Pt，W）貼在一起做成一個異質結。

圖：飛秒脈衝激光泵浦異質結產生太赫茲脈衝，來源：參考文獻[6]

由於界面處磁性物質和非鐵磁物質間存在淨自旋排列，在脈衝激光的激發下，位於磁性物質中的電子就會擴散到非鐵磁物質中，就形成了一個注入的自旋流。

自旋流在非鐵磁物質的傳播過程中，由於電子自旋和軌道之間的強力耦合，自旋流就轉化成了垂直方向的電荷流，這個電荷流的衰減過程就會輻射太赫茲脈衝[6]。

自旋太赫茲器件還具有譜寬更寬，成本更低等優點[4]。

所以我們將脈衝激光照射到非線性晶體、半導體、異質結上可以產生太赫茲脈衝光。

結語

經過今天的討論，我們可以知道：用光產生光是一件複雜豐富但也很靠譜的事情。

利用不同的物質，我們用自然光產生了七彩光，用一些光產生了熒光，用普通光產生了激光，用激光產生了不同頻率的光。

所以，文西發明的必須在光的照射下才能發光的手電筒，説不定真的是有用的呢！

來源：國產凌凌漆

參考文獻：

[1] 趙凱華，新概念物理教程-光學，高等教育出版社，2004年第一版。

[2] 陳巧玲，固體中鉍和錳激活離子多價態及光致發光的第一性原理研究，中國科學技術大學博士論文，2022年。

[3] 石順祥，非線性光學，西安電子科技大學出版社，2012年第二版。

[4] 許湧，自旋電子太赫茲源研究進展，物理學報，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)。