超強(qiáng)激光科學(xué)卓越創(chuàng)新簡(jiǎn)報(bào)

(第五百六十六期)

2024年10月21日

上海光機(jī)所在氧化鋁的太赫茲非線性吸收研究方面取得新進(jìn)展

近期，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所強(qiáng)場(chǎng)激光物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)在氧化鋁的太赫茲非線性吸收研究方面取得新進(jìn)展。相關(guān)成果以“Observation of terahertz nonlinear absorption activity in Al₂O₃”為題發(fā)表于Optics Express。

超快太赫茲脈沖具有低光子能量和高峰值電場(chǎng)強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，已被應(yīng)用于結(jié)構(gòu)檢測(cè)、物態(tài)調(diào)控和自由電子加速等研究?？娠柡臀阵w（SA）可用于產(chǎn)生超快激光脈沖，太赫茲范圍內(nèi)合適的可飽和吸收材料卻相對(duì)缺乏。過(guò)往研究表明，塊狀材料很難達(dá)到較高的可飽和調(diào)制深度，而新型二維材料則受到大規(guī)模制備和長(zhǎng)期穩(wěn)定性方面的挑戰(zhàn)。氧化鋁在強(qiáng)場(chǎng)太赫茲脈沖的作用下，會(huì)出現(xiàn)明顯的非線性吸收現(xiàn)象，有助于實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定而實(shí)用的太赫茲可飽和吸收體，這為太赫茲頻率范圍內(nèi)超高速鎖模激光器的發(fā)展帶來(lái)了新的契機(jī)。

在這項(xiàng)工作中，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)搭建了一套太赫茲泵浦探測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置，利用Yb:YAG激光器輸出的超短脈沖激光泵浦DSTMS有機(jī)晶體，產(chǎn)生頻譜寬度覆蓋 0.1-8 THz的強(qiáng)場(chǎng)太赫茲源，并通過(guò)一對(duì)太赫茲線柵偏振器改變氧化鋁樣品上的太赫茲通量，利用電光采樣系統(tǒng)測(cè)量太赫茲電場(chǎng)透過(guò)率。結(jié)果表明，氧化鋁在太赫茲波段具有高調(diào)制深度（27.5%）和低可飽和強(qiáng)度（6.99 μJ/cm²）的優(yōu)良性能，根據(jù)第一性原理計(jì)算，太赫茲脈沖引起的谷間散射改變了電子的有效質(zhì)量，使得電子遷移率發(fā)生變化，從而產(chǎn)生了強(qiáng)烈的太赫茲誘導(dǎo)透明現(xiàn)象。這一研究為新型太赫茲可飽和吸收體的發(fā)展提供了新的思路，具有直接產(chǎn)生高能量超短太赫茲脈沖的巨大潛力，有望廣泛應(yīng)用于高重頻太赫茲激光器。

相關(guān)工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、基礎(chǔ)研究特區(qū)計(jì)劃等支持。

原文鏈接

圖1. 實(shí)驗(yàn)中有（藍(lán)色）、無(wú)（紅色）氧化鋁樣品時(shí)測(cè)量的太赫茲波電場(chǎng)(a)、頻譜(b)，以及不同泵浦通量下的太赫茲光譜透過(guò)率(插圖)；不同太赫茲通量下的功率透過(guò)率及其擬合曲線(c)。

圖2. Al₂O₃的能帶結(jié)構(gòu)，掃描電子顯微鏡測(cè)得的樣品原子比（插圖）。