超薄太赫兹源
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发布时间：2023-07-27 13:06:30
英国萨塞克斯大学物理学家开发出一种非常薄的大面积太赫兹半导体表面源，其仅由几个原子层组成，并且与现有的电子平台兼容。相关论文发表在《Physical Review Letters》上。
超快光脉冲非线性产生宽带太赫兹（THz）场是成像、光谱学、材料和器件设计等领域基础研究和颠覆性应用的一个重要课题。当前的研究旨在确定新的材料和生成机制，以提高非线性太赫兹源的效率和通用性，例如有机晶体，自旋电子衬底和可调谐气体激光器。
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质过程。它在凝聚态物质中的应用受到多个相互作用场之间缺乏相位匹配的挑战。多年来，在χ(2)晶体中的二阶光学整流（OR），例如ZnTe或LiNbO3一直是THz光源开发的核心。然而，在较宽的光学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线性材料的选择。
虽然可以通过复杂的设置来实现相位匹配，但是当需要多场同步传播时（例如在三阶现象中），无疑会带来越来越大的挑战。为了克服相位匹配带来的限制，像超薄自旋电子基板的情况一样，新型发射器能够在短传播距离上实现高转换效率，从而提供了一种有希望的替代方案。在这种情况下，在超快照明（通常为100 fs级脉冲）下，窄带隙半导体表面已成为非常有效的表面THz源。尤其是砷化铟（InAs），每单位长度的转换效率极高，并且是产生表面非线性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界面上进行双色光学整流的过程，称之为全光表面光学整流（AO-SOR），以将其与直流偏置表面光学整流区分开来（DC-SOR）。强吸收区导致了非常高的有效χ(3)非线性，并导致很深的亚波长穿透深度，该深度将准2D表面内的相互作用定位在25个原子层的范围内。尺寸减小的相互作用长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学，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I型工艺（oo-e）在0.1mm厚的β-硼酸钡（BBO）晶体中产生了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调谐的相位延迟。作为一个非线性表面，开发了一个未掺杂的<100> InAs衬底。泵以相对于其法线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，该装置通过非线性 <100> ZnTe晶体实现。总的来说，研究人员提供了凝结物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可以明显胜过DC-SOR。
图 1，实验装置。（a）红色，蓝色和绿色光束分别表示800、400 nm和THz光束路径。插图显示了相位延迟所起的作用。（b）整个装置的示意图。半波片（HWP），硼酸钡晶体（BBO），方解石片（CP），熔融石英窗（SW：UV），四分之一波片（QWP），碲化锌（ZnTe）。
这种方法对于产生在两种颜色激发之间具有大的频率失谐的太赫兹波的理想选择，为实现非零频率载波太赫兹参量放大打开了大门。验证结果可能会为超薄太赫兹发射器的实现带来新的进展，例如，近场成像应用和集成纳米光子器件，在这些应用中，传统的非线性晶体无法缩小到相同的尺寸而又不可行。
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