德国团队利用高密度氦气实现极紫外脉冲超快整形

2026年8月20日，海德堡马克斯·普朗克核物理研究所(MPIK)研究人员牵头的国际团队宣布，已利用原子气体作为一种可快速切换的时变透镜，对强高频激光脉冲的光束形状和光谱进行调控。该成果有望为极紫外(XUV)和X射线脉冲的精细控制提供新路径，并可服务于光谱学方法改进、化学反应控制及量子计算等研究方向。

极紫外光能够为研究原子尺度过程提供重要工具。随着自由电子激光器的发展，科研人员已经能够产生超短、高强度的XUV光脉冲，但如何像操控可见光那样对其进行聚焦、偏转或光谱整形，仍是一项难题。传统玻璃透镜、反射镜或棱镜对高能极紫外光子往往存在强吸收，难以作为稳定高效的光学元件使用。

研究团队此次采用高密度氦原子气体作为调控介质。当强XUV激光脉冲穿过这种光学致密介质时，会快速激发并退激发原子能级，形成被称为拉比振荡的量子动力学过程。由于激光束中心和边缘的强度不同，气体介质的折射率也会随空间位置发生变化，尤其在原子共振频率附近表现更为明显。研究人员认为，这种强度依赖性的光与物质相互作用，使原子气体能够表现出类似透镜或棱镜的折射功能。

实验在汉堡DESY的FLASH自由电子激光器上完成。研究人员将强极紫外激光脉冲聚焦至含有氦原子的气体池中，脉冲中心光子能量为21.2 eV，对应氦原子1s-2p电子跃迁能量。实验显示，在较低激光强度下，光在原子共振区域被气体池吸收，但空间形状基本保持不变;在更高激光强度和更高气体压力下，光束会偏离原有传播方向，并在略低于和略高于原子共振能量的两个频率处表现尤为明显，形成具有特征性的双峰光谱结构。

研究人员表示，该方法相当于构建了一种可在极短时间尺度内工作的时变透镜，能够对光束及其光谱成分进行定向整形。这不仅有助于开发适用于高频光的新型光学元件，也将帮助科研人员进一步理解强辐射与共振介质相互作用及其传播过程。未来，该技术可能用于相干极紫外和X射线脉冲的空间与光谱调控。