Högharmonisk generation (HHG) är ett olinjärt optiskt fenomen genom vilket höga övertoner av en intensiv laserstråle genereras i ett målmaterial, vanligtvis en gas. Fysiker har studerat HHG i atomgaser i årtionden, men nyligen har ett team av forskare vid SLAC National Accelerator Laboratory börjat undersöka denna process i fasta ämnen.

En av fördelarna med att använda fasta mål är mer effektiv generation, på grund av den höga densiteten vid interaktion. Det första experimentet utfördes på en zinkoxidkristall, med observation av övertoner upp till 25 ^th order. Sedan dess, HHG har framgångsrikt observerats i flera dielektrikar, inklusive en magnesiumoxidkristallkvarts.

Ett av de senaste exemplen på detta härrör från ett samarbete med ett team av forskare vid Sandia National Laboratories, Tsinghua-universitetet, SLAC National Accelerator Laboratory, University of New Mexico och North Carolina State University. I deras papper, publicerad i Naturfysik , de rapporterade HHG från låg förlust, indium-dopad kadmiumoxid tunn film, vilket uppnåddes genom att utnyttja materialets epsilon-near-zero (ENZ) -effekt.

"Historien om denna forskning spårar tillbaka till vår omfattande verksamhet inom epsilon-nära-noll material och fenomen, "Igal Brener och Yuanmu Yang, två av forskarna som är medförfattare i studien, berättade för Phys.org via e -post.

ENZ -material, som filmen som forskarna använde, är en ny klass av material med en försvinnande permittivitet (dvs. lika med noll) vid någon våglängd (dvs. frekvens). Nyligen genomförda studier tyder på att de också uppvisar ultrasnabba olinjära verkningsgrader inom sina subvåglängds utbredningslängder.

En av konsekvenserna av att materialets permittivitet går till noll vid en förutbestämd våglängd är att när ENZ glänsar tunna filmer under rätt förhållanden (dvs. vinkel, polarisering), de optiska fälten inuti dessa filmer förbättras avsevärt (med ett förhållande på 10 till 100X). Detta innebär att varje fenomen som är beroende av intensiteten hos dessa fält, såsom optiska olineariteter, bör förbättras kraftigt.

"Vi hade gjort några tidigare olinjära optiska experiment (dvs. harmonisk generation) i andra ENZ -material (ITO) och såg några tecken på ökad effektivitet; så gjorde ett par andra forskargrupper, "Brener och Yang sa." Högdopad CdO (material odlat av medförfattare Jon-Paul Maria) är ett mycket överlägset ENZ-material (högre elektronmobilitet som leder till lägre optiska förluster och högre optiska fältförbättringar). Därför, vi ville studera HHG i dessa filmer. "

Under de senaste åren har det har varit ett växande intresse för att hitta nya sätt att producera attosekundpulser, särskilt i en kompakt experimentell installation, d.v.s. genom att ersätta de stora gasrören och dyra högintensiva lasersystem där dessa pulser genereras idag. I deras studie, Brener, Yang och deras kollegor gav sig ut för att utforska denna möjlighet ytterligare, använder en låg förlust, indium-dopad tunn kadmiumoxidfilm.

Provet som används i deras experiment består av en tunn (75 nm) film av mycket dopad CdO med en plasmafrekvens som ligger vid ekvivalentvåglängden ~ 2um, som är ENZ -våglängden. Detta prov odlas på MgO och har ett metallskikt infört för att skapa det som kallas "perfekt absorption".

Forskarna belyste sitt prov med korta pulser vid 2,08um från substratet vid sned förekomst och p-polarisering. De mätte sedan de övertoner som genererades på den reflekterade optiska vägen med hjälp av vanliga UV-Vis-spektrometrar och detektorer.

"På grund av absorptionen av substratet, i denna reflektionskonfiguration, vi kunde bara mäta upp till den nionde övertonen; det är den kortaste våglängden vi kan mäta, "Brener och Yang förklarade." I framtiden, prover utan det övre guldskiktet kunde prövas i överföringsgeometrin så att detta problem kan lindras.

I deras studie, forskarna observerade att ENZ-assisterade övertoner visade en uttalad spektral rödförskjutning och en breddning av linjebredden. Detta var resultatet av fotoinducerad elektronuppvärmning och den följaktliga tidsberoende ENZ-våglängden för materialet de använde.

Attosecond science community är intresserad av material som uppvisar detta beteende, eftersom det potentiellt kan förbättra hur dessa specialiserade pulser genereras. Byt ut gasen som används i typiska system mot ett fast material, såsom en tunn film av kadmiumoxid, skulle göra det möjligt för forskare att observera några av de snabbaste händelserna i naturen på ett enklare sätt, billigare och möjligen mer detaljerat sätt.

Jämfört med observationerna som samlats in i andra experiment med fasta material, de övertoner som forskarna uppnådde krävde ungefär två storleksordningar mindre av pumpens optiska effekt. Därför, materialet och processen de använde förenklar kraftigt den hårdvara som krävs för HHG och attosekundspektroskopi.

En ytterligare intressant upptäckt av deras studie är att den optiska olineariteten härrör från elektronerna som finns i den starkt dopade CdO och arten av bandstrukturen för CdO. Kombinationen av optisk pumpning vid ENZ -våglängden och arten av den olinearitet som ger upphov till HHG kan ge vägledning för ytterligare förbättringar, samtidigt som man informerar sökningen efter andra material som uppvisar liknande beteende.

För medlemmarna i samarbetet som arbetar på Sandia, denna forskning härrörde från ett bredare intresse för olinjär optik, som de planerar att fortsätta studera på andra sätt. Till exempel, Sandia har redan utforskat ett relaterat fenomen där ljus som passerar genom kadmiumoxid blir mer än 10 gånger ljusare inuti materialet. I deras arbete, de använde denna effekt för att bygga en högkontrast optisk switch som så småningom kan hjälpa till att påskynda optisk kommunikation.

© 2019 Science X Network