2019-08-18 06:13:01
一种接近零的ε材料中的高次谐波产生

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高次谐波产生(HHG)是一种非线性光学现象,通过该非线性光学现象,在目标材料(通常是气体)中产生强激光束的高次谐波。几十年来,物理学家一直在研究原子气体中的HHG,但最近SLAC国家加速器实验室的一组研究人员开始研究固体中的这一过程。

由于相互作用的高密度,使用固体靶的优点之一是更有效的生成。第一个实验是在氧化锌晶体上进行的,观察到的谐波高达25阶。从那时起,HHG已成功地在几种电介质中观察到,包括氧化镁晶体石英。

其中一个最新的例子来自于桑迪亚国家实验室,清华大学,SLAC国家加速器实验室,新墨西哥大学和北卡罗来纳州立大学的研究团队的共同努力。在他们发表在Nature Physics上的论文中,他们报道了HHG是由低损耗的铟掺杂氧化镉薄膜产生的,这是通过利用材料的ε-接近零(ENZ)效应获得的。

“这项研究的历史可以追溯到我们在ε-接近零的材料和现象中的广泛活动,”该研究的两位研究人员Igal Brener和Yuanmu Yang通过电子邮件告诉Phys.org。

ENZ材料,例如研究人员使用的薄膜,是一类新的材料,在某些波长(即频率)下具有消失的介电常数(即等于零)。最近的研究表明它们在其亚波长传播长度内也表现出超快的非线性效率。

这些材料的介电常数在预定波长下变为零的后果之一是,在正确条件下(即角度,偏振)照射ENZ薄膜时,这些薄膜内部的光场显着增强(比率为10到100倍) )。这意味着任何依赖于这些场强度的现象,例如光学非线性,都应该大大增强。

“我们已经在其他ENZ材料(ITO)中进行了一些先前的非线性光学实验(即谐波产生),并看到了一些提高效率的迹象;其他几个研究小组也是如此,”Brener和Yang说。 “高掺杂CdO(由共同作者Jon-Paul Maria生长的材料)是一种非常优越的ENZ材料(更高的电子迁移率,转化为更低的光学损耗和更高的光场增强)。因此,我们想在这些薄膜中研究HHG。 “

近年来,人们越来越关注寻找产生阿秒脉冲的新方法,特别是在紧凑的实验装置中,即通过更换大气管和昂贵的高强度激光系统,其中现在产生这些脉冲。在他们的研究中,Brener,Yang和他们的同事开始使用低损耗的铟掺杂氧化镉薄膜进一步探索这种可能性。

在他们的实验中使用的样品由薄的(75nm)高掺杂CdO膜组成,其等离子体频率位于〜2um的等效波长,即ENZ波长。该样品在MgO上生长并且引入金属顶层以产生所谓的“完美吸收”。

研究人员在倾斜入射和p偏振下用距基底2.08um的短脉冲照射样品。然后,他们使用标准的紫外 - 可见光谱仪和探测器测量反射光路上产生的谐波。

“由于基板的吸收,在这种反射配置中,我们只能测量到九次谐波;这是我们可以测量的最短波长,”Brener和Yang解释说。 “将来,可以在透射几何中尝试没有金顶层的样品,因此可以减轻这个问题。

在他们的研究中,研究人员观察到ENZ辅助的谐波表现出明显的光谱红移和线宽展宽。这是光致电子加热的结果,以及它们使用的材料随后的时间依赖性ENZ波长。

阿秒科学界对表现出这种行为的材料感兴趣,因为它可能会改善这些特殊脉冲的产生方式。用固体材料(例如氧化镉薄膜)代替典型系统中使用的气体,研究人员可以更容易,更便宜,更可能更详细地观察自然界中的一些最快事件。

与使用固态材料的其他实验中收集的观察结果相比,研究人员所获得的谐波要求泵浦光学功率减少约两个数量级。因此,他们使用的材料和工艺大大简化了HHG和阿秒光谱所需的硬件。

他们研究的另一个有趣发现是光学非线性产生于高掺杂CdO中存在的电子和CdO能带结构的性质。 ENZ波长的光泵浦和产生HHG的非线性的性质的组合可以为进一步改进提供指导,同时还为寻找具有类似行为的其他材料提供信息。

对于在桑迪亚工作的合作成员而言,这项研究源于对非线性光学的广泛兴趣,他们计划继续以其他方式进行研究。例如,桑迪亚已经探索了一种相关的现象,其中穿过氧化镉的光在材料内变亮10倍以上。在他们的工作中,他们利用这种效应构建了一个高对比度的光学开关,最终可以帮助加速光通信。

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