超薄太赫兹源
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发布时间：2023-07-27 13:06:30
英國(guó)萨塞克斯大學(xué)物(wù)理(lǐ)學(xué)家开发出一种非常薄的大面积太赫兹半导體(tǐ)表面源，其仅由几个原子层组成，并且与现有(yǒu)的電(diàn)子平台兼容。相关论文(wén)发表在《Physical Review Letters》上。
超快光脉冲非線(xiàn)性产生宽带太赫兹（THz）场是成像、光谱學(xué)、材料和器件设计等领域基础研究和颠覆性应用(yòng)的一个重要课题。当前的研究旨在确定新(xīn)的材料和生成机制，以提高非線(xiàn)性太赫兹源的效率和通用(yòng)性，例如有(yǒu)机晶體(tǐ)，自旋電(diàn)子衬底和可(kě)调谐气體(tǐ)激光器。
双色太赫兹（THz）生成是一种结合了光脉冲及其二次谐波的场物(wù)质过程。它在凝聚态物(wù)质中的应用(yòng)受到多(duō)个相互作用(yòng)场之间缺乏相位匹配的挑战。多(duō)年来，在χ(2)晶體(tǐ)中的二阶光學(xué)整流（OR），例如ZnTe或LiNbO3一直是THz光源开发的核心。然而，在较宽的光學(xué)带宽上保持纵向相位匹配条件的严格要求，极大地限制了激光源和非線(xiàn)性材料的选择。
虽然可(kě)以通过复杂的设置来实现相位匹配，但是当需要多(duō)场同步传播时（例如在三阶现象中），无疑会带来越来越大的挑战。為(wèi)了克服相位匹配带来的限制，像超薄自旋電(diàn)子基板的情况一样，新(xīn)型发射器能(néng)够在短传播距离上实现高转换效率，从而提供了一种有(yǒu)希望的替代方案。在这种情况下，在超快照明（通常為(wèi)100 fs级脉冲）下，窄带隙半导體(tǐ)表面已成為(wèi)非常有(yǒu)效的表面THz源。尤其是砷化铟（InAs），每单位長(cháng)度的转换效率极高，并且是产生表面非線(xiàn)性THz的标准基准之一。
这里，研究人员首次展示了通过高共振的带隙激发，在空气—InAs界面上进行双色光學(xué)整流的过程，称之為(wèi)全光表面光學(xué)整流（AO-SOR），以将其与直流偏置表面光學(xué)整流區(qū)分(fēn)开来（DC-SOR）。强吸收區(qū)导致了非常高的有(yǒu)效χ(3)非線(xiàn)性，并导致很(hěn)深的亚波長(cháng)穿透深度，该深度将准2D表面内的相互作用(yòng)定位在25个原子层的范围内。尺寸减小(xiǎo)的相互作用(yòng)長(cháng)度允许放宽典型的相位匹配约束，这还影响竞争性表面机制的动力學(xué)，例如对光发射的光载流子驱动的筛选。
图1位实验装置，包括基本（FH）激发光束（λ1⁄4 800 nm，100 fs，1 kHz，≈1.0 mJ，红色光束）与其二次谐波（SH）信号（λ1⁄4 400 nm，≈35.4μJ，蓝色光束）共传播。采用(yòng)I型工艺（oo-e）在0.1mm厚的β-硼酸钡（BBO）晶體(tǐ)中产生了400nm的交叉极化SH脉冲。双折射方解石板（CP）在两个交叉极化场之间引入了可(kě)调谐的相位延迟。作為(wèi)一个非線(xiàn)性表面，开发了一个未掺杂的<100> InAs衬底。泵以相对于其法線(xiàn)45°的角度照亮表面。太赫兹信号是通过标准的时域光谱（TDS）装置沿镜面反射方向（绿光束）收集的，该装置通过非線(xiàn)性 <100> ZnTe晶體(tǐ)实现。总的来说，研究人员提供了凝结物(wù)质中无相位匹配的两色太赫兹生成的第一个实验演示。结果还表明，在相同的总输入泵浦功率下，AO-SOR可(kě)以明显胜过DC-SOR。
图 1，实验装置。（a）红色，蓝色和绿色光束分(fēn)别表示800、400 nm和THz光束路径。插图显示了相位延迟所起的作用(yòng)。（b）整个装置的示意图。半波片（HWP），硼酸钡晶體(tǐ)（BBO），方解石片（CP），熔融石英窗（SW：UV），四分(fēn)之一波片（QWP），碲化锌（ZnTe）。
这种方法对于产生在两种颜色激发之间具有(yǒu)大的频率失谐的太赫兹波的理(lǐ)想选择，為(wèi)实现非零频率载波太赫兹参量放大打开了大门。验证结果可(kě)能(néng)会為(wèi)超薄太赫兹发射器的实现带来新(xīn)的进展，例如，近场成像应用(yòng)和集成纳米光子器件，在这些应用(yòng)中，传统的非線(xiàn)性晶體(tǐ)无法缩小(xiǎo)到相同的尺寸而又(yòu)不可(kě)行。
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