超薄太赫茲源

來(lai)源：閱讀：385 發布時(shi)間：2023-07-27 13:06:30

英國薩塞克斯大學物理學家開發出一種非常薄的大面積太赫茲半導體表面源，其僅由幾個原子層組成，并且與現有的電子平臺兼容。相關論文發表在《Physical Review Letters》上。

超快光脈沖非線性產生寬帶太赫茲（THz）場是成像、光譜學、材料和器件設計等領域基礎研究和顛覆性應用的一個重要課題。當前的研究旨在確定新的材料和生成機制，以提高非線性太赫茲源的效率和通用性，例如有機晶體，自旋電子襯底和可調諧氣體激光器。

雙色太赫茲（THz）生成是一種結合了光脈沖及其二次諧波的場物質過程。它在凝聚態物質中的應用受到多個相互作用場之間缺乏相位匹配的挑戰。多年來，在χ(2)晶體中的二階光學整流（OR），例如ZnTe或LiNbO3一直是THz光源開發的核心。然而，在較寬的光學帶寬上保持縱向相位匹配條件的嚴格要求，極大地限制了激光源和非線性材料的選擇。

雖然可以通過復雜的設置來實現相位匹配，但是當需要多場同步傳播時（例如在三階現象中），無疑會帶來越來越大的挑戰。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，新型發射器能夠在短傳播距離上實現高轉換效率，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級脈沖）下，窄帶隙半導體表面已成為非常有效的表面THz源。尤其是砷化銦（InAs），每單位長度的轉換效率極高，并且是產生表面非線性THz的標準基準之一。

這里，研究人員首次展示了通過高共振的帶隙激發，在空氣—InAs界面上進行雙色光學整流的過程，稱之為全光表面光學整流（AO-SOR），以將其與直流偏置表面光學整流區分開來（DC-SOR）。強吸收區導致了非常高的有效χ(3)非線性，并導致很深的亞波長穿透深度，該深度將準2D表面內的相互作用定位在25個原子層的范圍內。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制的動力學，例如對光發射的光載流子驅動的篩選。

圖1位實驗裝置，包括基本（FH）激發光束（λ1⁄4 800 nm，100 fs，1 kHz，≈1.0 mJ，紅色光束）與其二次諧波（SH）信號（λ1⁄4 400 nm，≈35.4μJ，藍色光束）共傳播。采用I型工藝（oo-e）在0.1mm厚的β-硼酸鋇（BBO）晶體中產生了400nm的交叉極化SH脈沖。雙折射方解石板（CP）在兩個交叉極化場之間引入了可調諧的相位延遲。作為一個非線性表面，開發了一個未摻雜的<100> InAs襯底。泵以相對于其法線45°的角度照亮表面。太赫茲信號是通過標準的時域光譜（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晶體實現。總的來說，研究人員提供了凝結物質中無相位匹配的兩色太赫茲生成的第一個實驗演示。結果還表明，在相同的總輸入泵浦功率下，AO-SOR可以明顯勝過DC-SOR。