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超薄太赫茲源
來源： 閱讀：359 發(fā)布時(shí)間：2023-07-27 13:06:30
超薄太赫茲源
英國薩塞克斯大學(xué)物理學(xué)家開發(fā)出一種非常薄的大面積太赫茲半導(dǎo)體表面源，其僅由幾個(gè)原子層組成，并且與現(xiàn)有的電子平臺(tái)兼容。相關(guān)論文發(fā)表在《Physical Review Letters》上。
超快光脈沖非線性產(chǎn)生寬帶太赫茲（THz）場是成像、光譜學(xué)、材料和器件設(shè)計(jì)等領(lǐng)域基礎(chǔ)研究和顛覆性應(yīng)用的一個(gè)重要課題。當(dāng)前的研究旨在確定新的材料和生成機(jī)制，以提高非線性太赫茲源的效率和通用性，例如有機(jī)晶體，自旋電子襯底和可調(diào)諧氣體激光器。
雙色太赫茲（THz）生成是一種結(jié)合了光脈沖及其二次諧波的場物質(zhì)過程。它在凝聚態(tài)物質(zhì)中的應(yīng)用受到多個(gè)相互作用場之間缺乏相位匹配的挑戰(zhàn)。多年來，在χ(2)晶體中的二階光學(xué)整流（OR），例如ZnTe或LiNbO3一直是THz光源開發(fā)的核心。然而，在較寬的光學(xué)帶寬上保持縱向相位匹配條件的嚴(yán)格要求，極大地限制了激光源和非線性材料的選擇。
雖然可以通過復(fù)雜的設(shè)置來實(shí)現(xiàn)相位匹配，但是當(dāng)需要多場同步傳播時(shí)（例如在三階現(xiàn)象中），無疑會(huì)帶來越來越大的挑戰(zhàn)。為了克服相位匹配帶來的限制，像超薄自旋電子基板的情況一樣，新型發(fā)射器能夠在短傳播距離上實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)換效率，從而提供了一種有希望的替代方案。在這種情況下，在超快照明（通常為100 fs級(jí)脈沖）下，窄帶隙半導(dǎo)體表面已成為非常有效的表面THz源。尤其是砷化銦（InAs），每單位長度的轉(zhuǎn)換效率極高，并且是產(chǎn)生表面非線性THz的標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)之一。
這里，研究人員首次展示了通過高共振的帶隙激發(fā)，在空氣—InAs界面上進(jìn)行雙色光學(xué)整流的過程，稱之為全光表面光學(xué)整流（AO-SOR），以將其與直流偏置表面光學(xué)整流區(qū)分開來（DC-SOR）。強(qiáng)吸收區(qū)導(dǎo)致了非常高的有效χ(3)非線性，并導(dǎo)致很深的亞波長穿透深度，該深度將準(zhǔn)2D表面內(nèi)的相互作用定位在25個(gè)原子層的范圍內(nèi)。尺寸減小的相互作用長度允許放寬典型的相位匹配約束，這還影響競爭性表面機(jī)制的動(dòng)力學(xué)，例如對光發(fā)射的光載流子驅(qū)動(dòng)的篩選。
圖1位實(shí)驗(yàn)裝置，包括基本（FH）激發(fā)光束（λ1⁄4 800 nm，100 fs，1 kHz，≈1.0 mJ，紅色光束）與其二次諧波（SH）信號(hào)（λ1⁄4 400 nm，≈35.4μJ，藍(lán)色光束）共傳播。采用I型工藝（oo-e）在0.1mm厚的β-硼酸鋇（BBO）晶體中產(chǎn)生了400nm的交叉極化SH脈沖。雙折射方解石板（CP）在兩個(gè)交叉極化場之間引入了可調(diào)諧的相位延遲。作為一個(gè)非線性表面，開發(fā)了一個(gè)未摻雜的<100> InAs襯底。泵以相對于其法線45°的角度照亮表面。太赫茲信號(hào)是通過標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)域光譜（TDS）裝置沿鏡面反射方向（綠光束）收集的，該裝置通過非線性 <100> ZnTe晶體實(shí)現(xiàn)?？偟膩碚f，研究人員提供了凝結(jié)物質(zhì)中無相位匹配的兩色太赫茲生成的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)演示。結(jié)果還表明，在相同的總輸入泵浦功率下，AO-SOR可以明顯勝過DC-SOR。
圖 1，實(shí)驗(yàn)裝置。（a）紅色，藍(lán)色和綠色光束分別表示800、400 nm和THz光束路徑。插圖顯示了相位延遲所起的作用。（b）整個(gè)裝置的示意圖。半波片（HWP），硼酸鋇晶體（BBO），方解石片（CP），熔融石英窗（SW：UV），四分之一波片（QWP），碲化鋅（ZnTe）。
這種方法對于產(chǎn)生在兩種顏色激發(fā)之間具有大的頻率失諧的太赫茲波的理想選擇，為實(shí)現(xiàn)非零頻率載波太赫茲參量放大打開了大門。驗(yàn)證結(jié)果可能會(huì)為超薄太赫茲發(fā)射器的實(shí)現(xiàn)帶來新的進(jìn)展，例如，近場成像應(yīng)用和集成納米光子器件，在這些應(yīng)用中，傳統(tǒng)的非線性晶體無法縮小到相同的尺寸而又不可行。
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