High-harmonic generation (HHG) is een niet-lineair optisch fenomeen waardoor hoge harmonischen van een intense laserstraal worden gegenereerd in een doelmateriaal, typisch een gas. Natuurkundigen bestuderen al tientallen jaren HHG in atomaire gassen, maar meer recentelijk is een team van onderzoekers van het SLAC National Accelerator Laboratory begonnen met het onderzoeken van dit proces in vaste stoffen.

Een van de voordelen bij het gebruik van solide doelen is een efficiëntere opwekking, vanwege de hoge dichtheid bij interactie. Het eerste experiment werd uitgevoerd op een zinkoxidekristal, met waarneming van harmonischen tot 25 ^e bestellingen. Vanaf dat moment, HHG is met succes waargenomen in verschillende diëlektrica, waaronder een magnesiumoxide kristalkwarts.

Een van de laatste voorbeelden hiervan komt voort uit een gezamenlijke inspanning waarbij een team van onderzoekers van Sandia National Laboratories betrokken is, Tsinghua universiteit, SLAC Nationaal Versneller Laboratorium, de Universiteit van New Mexico en de Staatsuniversiteit van North Carolina. In hun krant gepubliceerd in Natuurfysica , ze meldden HHG als gevolg van een laag verlies, met indium gedoteerde cadmiumoxide dunne film, die werd bereikt door gebruik te maken van het epsilon-near-zero (ENZ) -effect van het materiaal.

"De geschiedenis van dit onderzoek gaat terug tot onze uitgebreide activiteiten in epsilon-bijna-nul materialen en fenomenen, "Igal Brener en Yuanmu Yang, twee van de onderzoekers die co-auteurs zijn van de studie, vertelde Phys.org via e-mail.

ENZ-materialen, zoals de film die de onderzoekers gebruikten, zijn een nieuwe klasse van materialen met een verdwijnende permittiviteit (d.w.z. gelijk aan nul) bij een bepaalde golflengte (d.w.z. frequentie). Recente studies suggereren dat ze ook ultrasnelle niet-lineaire efficiënties vertonen binnen hun subgolflengtevoortplantingslengtes.

Een van de gevolgen van het feit dat de permittiviteit van dit materiaal bij een vooraf bepaalde golflengte naar nul gaat, is dat bij het schijnen van ENZ dunne films onder de juiste omstandigheden (d.w.z. hoek, polarisatie), de optische velden in deze films zijn aanzienlijk verbeterd (met een verhouding van 10 tot 100X). Dit betekent dat elk fenomeen dat afhankelijk is van de intensiteit van deze velden, zoals optische niet-lineariteiten, enorm moeten worden verbeterd.

"We hadden enkele eerdere niet-lineaire optische experimenten gedaan (d.w.z. harmonische generatie) in andere ENZ-materialen (ITO) en zagen enkele indicaties van verbeterde efficiëntie, net als een paar andere onderzoeksgroepen, "Brenner en Yang zeiden. "Zeer gedoteerd CdO (materiaal gekweekt door co-auteur Jon-Paul Maria) is een veel superieur ENZ-materiaal (hogere elektronenmobiliteit wat zich vertaalt in lagere optische verliezen en hogere optische veldverbeteringen). Daarom, we wilden HHG bestuderen in deze films."

In recente jaren, er is een groeiende interesse in het vinden van nieuwe manieren om attoseconde pulsen te produceren, vooral in een compacte experimentele opstelling, d.w.z., door de grote gasbuizen en dure lasersystemen met hoge intensiteit te vervangen waarin deze pulsen tegenwoordig worden gegenereerd. In hun studie hebben Brenner, Yang en hun collega's wilden deze mogelijkheid verder onderzoeken, met een laag verlies, met indium gedoteerde cadmiumoxide dunne film.

Het monster dat in hun experimenten werd gebruikt, bestaat uit een dunne (75 nm) film van sterk gedoteerde CdO met een plasmafrequentie die ligt bij de equivalente golflengte van ~ 2 um, wat de ENZ-golflengte is. Dit monster wordt gekweekt op MgO en heeft een metalen toplaag die is aangebracht om een ​​zogenaamde "perfecte absorptie" te creëren.

De onderzoekers verlichtten hun monster met korte pulsen op 2.08um vanaf het substraat bij schuine inval en p-polarisatie. Vervolgens maten ze de harmonischen die werden gegenereerd op het gereflecteerde optische pad met behulp van standaard UV-Vis-spectrometers en -detectoren.

"Door de absorptie van het substraat, in deze reflectieconfiguratie, we konden maar tot de negende harmonische meten; dat is de kortste golflengte die we kunnen meten, Brener en Yang legden uit. "In de toekomst, monsters zonder de gouden toplaag kunnen worden geprobeerd in de transmissiegeometrie, zodat dit probleem kan worden verholpen.

In hun studie hebben de onderzoekers merkten op dat ENZ-geassisteerde harmonischen een uitgesproken spectrale roodverschuiving en een lijnbreedteverbreding vertoonden. Dit was het resultaat van foto-geïnduceerde elektronenverwarming en de daaruit voortvloeiende tijdsafhankelijke ENZ-golflengte van het materiaal dat ze gebruikten.

De attoseconde wetenschappelijke gemeenschap is geïnteresseerd in materialen die dit gedrag vertonen, omdat het mogelijk kan verbeteren hoe deze gespecialiseerde pulsen worden gegenereerd. Vervanging van het gas dat in typische systemen wordt gebruikt door een vast materiaal, zoals een dunne laag cadmiumoxide, zou onderzoekers in staat stellen om enkele van de snelste gebeurtenissen in de natuur op een gemakkelijkere, goedkopere en mogelijk meer gedetailleerde manier.

Vergeleken met de waarnemingen verzameld in andere experimenten met vastestofmaterialen, de door de onderzoekers bereikte harmonischen vereisten ongeveer twee orde van grootte minder optisch pompvermogen. Daarom, het materiaal en het proces dat ze gebruikten, vereenvoudigen de hardware die nodig is voor HHG- en attoseconde-spectroscopie aanzienlijk.

Een andere interessante bevinding van hun onderzoek is dat de optische niet-lineariteit voortkomt uit de elektronen die aanwezig zijn in het sterk gedoteerde CdO en de aard van de bandstructuur van CdO. De combinatie van optisch pompen op de ENZ-golflengte en de aard van de niet-lineariteit die aanleiding geeft tot HHG, zou een leidraad kunnen zijn voor verdere verbeteringen, terwijl het ook informeert over het zoeken naar andere materialen die vergelijkbaar gedrag vertonen.

Voor de leden van de samenwerking die bij Sandia werken, dit onderzoek kwam voort uit een bredere interesse in niet-lineaire optica, die ze van plan zijn om op andere manieren verder te studeren. Bijvoorbeeld, Sandia heeft al een verwant fenomeen onderzocht waarbij licht dat door cadmiumoxide gaat, meer dan 10 keer helderder wordt in het materiaal. In hun werk, ze gebruikten dit effect om een ​​optische schakelaar met hoog contrast te bouwen die uiteindelijk zou kunnen helpen om optische communicatie te versnellen.

© 2019 Wetenschap X Netwerk