Четырёхволновое смешение (ЧВС, four-wave mixing, FWM) является ключевым процессом нелинейной оптики, в котором взаимодействие нескольких интенсивных электромагнитных полей в среде приводит к генерации новых частотных компонент. В основе данного явления лежит нелинейная поляризация среды, описываемая через тензор нелинейной восприимчивости третьего порядка χ^(3). Поляризация в такой среде может быть записана как
P(3)(t) = ε0χ(3)E3(t),
где E(t) — напряжённость электрического поля, ε0 — электрическая постоянная. Именно этот член разложения порождает нелинейные отклики, приводящие к возникновению новых частот.
В случае ЧВС обычно участвуют три падающих волны с частотами ω1, ω2 и ω3. Взаимодействие этих волн в нелинейной среде приводит к появлению четвёртой волны с частотой
ω4 = ±ω1 ± ω2 ± ω3,
при условии выполнения закона сохранения энергии. Одновременно необходимо выполнение фазового согласования:
k⃗4 = ±k⃗1 ± k⃗2 ± k⃗3,
где k⃗i — волновые векторы взаимодействующих мод. Если условия фазового согласования нарушены, эффективность ЧВС резко падает из-за деструктивной интерференции.
В аттосекундной физике четырёхволновое смешение приобретает особое значение, так как позволяет получать когерентные импульсы в экстремальном ультрафиолетовом (XUV) и мягком рентгеновском диапазоне. Использование ультракоротких (фемто- и аттосекундных) лазерных импульсов существенно усиливает нелинейные эффекты за счёт высокой пиковой интенсивности поля и большой плотности фотонных взаимодействий на временных масштабах, сравнимых с движением электронов внутри атомов и молекул.
При ЧВС в XUV-диапазоне можно не только генерировать новые частоты, но и исследовать сверхбыструю электронную динамику в атомных и конденсированных системах. Особенно ценным является то, что процесс позволяет использовать несколько лазерных частот, включая комбинацию инфракрасного (IR), видимого и ультрафиолетового излучений, что делает возможным гибкое управление временной и спектральной структурой формируемых аттосекундных импульсов.
В условиях аттосекундных импульсов ЧВС может описываться как когерентное многофотонное возбуждение электронных переходов. Например, в атомных системах комбинация трёх лазерных фотонов может индуцировать возбуждение виртуального уровня, из которого система переизлучает четвёртую волну. В молекулярных и твердотельных средах ЧВС отражает электронную корреляцию, поскольку нелинейная восприимчивость χ^(3) включает в себя коллективный отклик системы.
Этот процесс является чувствительным к структуре энергетических уровней вещества и, таким образом, может служить инструментом спектроскопии с высоким временным и энергетическим разрешением. В частности, ЧВС позволяет напрямую отслеживать динамику орбитальной перестройки электронов, туннельных процессов, а также делокализации носителей заряда.
В аттосекундной физике особое значение имеет резонансное ЧВС, так как оно позволяет целенаправленно усиливать слабые спектральные компоненты и выделять специфические электронные переходы.
Для реализации ЧВС в аттосекундных режимах используют комбинацию сверхмощных инфракрасных лазеров и генерацию гармоник высокого порядка (HHG). Типичная схема включает:
Современные эксперименты используют фазово-контролируемые аттосекундные пакеты, что позволяет синхронизировать взаимодействие и управлять временной структурой четвёртой волны.
Для описания ЧВС применяются как феноменологические модели на основе нелинейной оптики, так и квантово-механические подходы. Наиболее распространённые:
Важной особенностью является необходимость учитывать фазовую стабильность лазерных импульсов и их относительные задержки, поскольку малейшие сдвиги во времени приводят к радикальным изменениям спектра четвёртой волны.