雷射脈衝在非晶態介電材料中製造出非線性效應

2020-09-22 江蘇雷射產業創新聯盟


一個全新的，全光學技術，用來在材料中製造二階非線性 效應，這一效應在通常的情況下並不會支持新的選擇來製造光學計算機、高速數據處理器、生物影像中的這一效應（非線性效應）。來自喬治亞理工學院（Georgia Institute of Technology），簡稱Georgia Tech的研究人員發展了這一技術，採用紅色雷射來製造出非線性效應。

在他們的實驗中，研究人員在實驗裡，在中心對稱的TiO2板條的表面上製造了一個微小的等離子金三角。他們利用紅色的雷射點燃TiO2/Au結構。雷射束作為光束開關，打破材料的晶體對稱性。當在TiO2板條上排列的金三角被點燃的時候，雷射脈衝開始激發電子，並且這一激發會將光束從從非晶TiO2板條中彈回的二階雷射在短暫的時間內翻倍。

喬治亞理工學院的研究人員展示了在TiO2板條上利用紅色的雷射進行頻率翻倍在金的小三角內來製造非線性效應。藍色的光束表明光的倍頻和綠色的雷射控制熱的電子的遷移。

研究人員在展示實驗的研究現象


光學開關激發金三角內的高能電子，並且電子從三角的尖端遷移到TiO2氧化物中。由於電子從TiO2板條中的遷移主要發生在三角的尖端，電子的遷移就成為空間對稱的一個過程， 稍縱即逝的在光學層面破壞TiO2氧化物晶體的對稱性。

研究團隊觀察了誘導的對稱破壞效應，幾乎是在紅色脈衝雷射激發的時候同步發生的。

現在研究人員在光學層面破壞了晶體的傳統上的線性材料（如非晶的TiO2）的晶體對稱性，較寬範圍內的光學材料均可以適用於微觀和納米層面的主流應用的領域，如高速光數據處理的應用場合。

採用雷射實現對倍頻的控制

誘導的二階非線性的的生命周期取決於在脈衝結束之後，電子從TiO2遷移到金三角的速度有多塊。在研究人員的報導中，誘導的非線性效應持續了幾皮秒，此時研究人認為這一時間對大多數的短脈衝應用場合來說，時間是足夠的。穩定的、連續的雷射可以使得非線性效應的持續時間同雷射激發的時間一樣長，前提是只要雷射是持續的。

誘導的非線性的強度取決於電子從金三角遷移到TiO2板條的數量。研究結果表明，可以通過紅色雷射的強度來控制電子遷移的數量。增加光學開關的強度可以在金三角內產生更多的電子，從而可以輸送更多的電子到TiO2板條中。

通過熱電子轉移來打破反演對稱的過程示意圖

需要開展額外的工作來進一步的證明所觀察到的現象，從而可以證明中心對稱的材料的晶體對稱性可以通過光學的辦法來打破，這是通過非對稱的電子遷移來實現的。研究人員需要進一步的研究來告訴我們，什麼樣的金屬/半導體材料的組合平臺是可行的，什麼樣的形狀和尺寸可以最大化誘導的二階非線性效應，什麼範圍內的雷射波長可以用來作為光學開關。

等離子體平臺 靜態和瞬態的二階非線性表徵

倍頻是應用這一新技術的最大的潛在應用。研究人員相信，他們的發現不僅為非線性納米光子的應用提供了各種機會，同時還在量子電子隧穿領域中也將扮演著重要的角色。事實上，這一領域知識的積累，我們的研究團隊將設計新的典範來引導對稱性破壞技術作為混合材料平臺中監控電子的量子隧穿的光學探頭。現在，實現這一挑戰的目標只有掃描隧道顯微鏡（STM）技術，而這一技術存在速度慢，而且產出和敏感性也差。

無熱電子轉移時的二階非線性反應的動力學

瞬時的線性和非線性極化效應

文章來源： Transient Second-Order Nonlinear Media: Breaking the Spatial Symmetry in the Time Domain via Hot-Electron Transfer

Mohammad Taghinejad, Zihao Xu, Kyu-Tae Lee, Tianquan Lian, and Wenshan Cai

Phys. Rev. Lett. 124, 013901 – Published 2 January 2020,DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.013901以及Georgia Tech，Physical Review Letters.

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