03 februari 2023 (Nanowerk Nieuws) De komst van intense ultrakorte coherente lichtpulsen heeft een revolutie teweeggebracht op het gebied van spectroscopie. Enerzijds maken ze een gemakkelijke observatie van verschillende niet-lineaire optische effecten mogelijk en vergemakkelijken ze de karakterisering van materialen met niet-lineaire optische spectroscopie. Aan de andere kant bieden ze middelen voor sterke selectieve excitatie van materialen en optische manipulatie van materiaalstructuur. Het verbetert ook eigenschappen zoals optisch veld-geïnduceerde ferro-elektriciteit en supergeleiding. Ze hebben ook het levendige veld van ultrasnelle dynamiek van laagfrequente excitaties in materialen gecreëerd. Dankzij de vooruitgang in lasertechnologie in de afgelopen decennia zijn intense femtoseconde (fs) pulsen van tafelopstellingen nu beschikbaar over het hele spectrale bereik van ~10 THz tot zachte röntgenstraling, zelfs in gewone laboratoria. Onder ~5 THz bestaan picosecondepulsen met hoge intensiteit, maar tussen 5 en 12 THz zijn stabiele, continu afstembare, energetische fs-pulsen een grotere uitdaging om aan te komen. Dit is echter een spectraal bereik dat van groot belang is voor materiaalstudies. Fononen en trillingen van moleculen en vaste stoffen die zijn samengesteld uit zwaardere atomen vallen binnen dit bereik, evenals de intermoleculaire trillingen van moleculaire systemen in de chemie en biologie. In dit spectrale gebied liggen ook verschillende elementaire excitaties van vaste stoffen. In een nieuw artikel gepubliceerd in Licht: wetenschap en toepassing ("Een nieuw schema voor ultrakorte terahertz-pulsopwekking over een gapless breed spectraal bereik: Raman-resonantie-verbeterde viergolfmenging"), heeft een team van wetenschappers onder leiding van professor Y. Ron Shen van de University of California Berkeley en professor Chuanshan Tian van Fudan University een nieuwe techniek ontwikkeld voor het genereren van ultrakorte tetrahertz-pulsen.
THz-uitvoerspectra: de frames van boven naar beneden presenteren spectra die zijn verkregen met straalgeometrieën die zijn ingesteld om verschillende centrale THz-frequenties op te leveren. Vaste krommen zijn theoretische passingen. (Afbeelding: Jiaming Le, Yudan Su, Chuanshan Tian, A. H. Kung, Y. Ron Shen) Momenteel is optische rectificatie (OR) of differentiefrequentiegeneratie (DFG) in niet-lineaire kristallen van de tweede orde de standaardtechniek om intense THz-pulsen te genereren. De THz-opwekking uit kristallen is echter beperkt vanwege fononabsorptie. Organische niet-lineaire kristallen zijn gebruikt voor efficiënte THz-opwekking, maar ze hebben slechts een paar smalle transparante vensters boven 5 THz en lijden aan lage optische schadedrempels.
Door laser geïnduceerde gasplasma's kunnen energetische THz-pulsen genereren. Ze zijn zeer geschikt als sondes voor lineaire THz-spectroscopie over een breed spectraal bereik. Door hun complexe ruimtelijke moduspatronen zijn ze echter minder gewenst als pompen voor sterke resonerende excitaties. Vrije-elektronenlasers en door elektronen aangedreven THz-bronnen kunnen ook fs-pulsen produceren die het gehele THz-spectrale bereik bestrijken, maar deze zijn voor de meeste onderzoekers niet direct beschikbaar.
Diamant heeft veel aantrekkelijke voordelen. De hoge optische schadedrempel zorgt ervoor dat de ingangspompintensiteiten zo hoog kunnen zijn dat niet-lineaire optische effecten van de derde orde worden geïnduceerd (bijv. Viergolfmenging) die kunnen concurreren met tweede-orde-effecten (bijv. DFG) in andere kristallen. Transparantie in het hele gebied van THz tot UV leidt tot een zwakke frequentiespreiding van optische responscoëfficiënten die fase-aangepaste THz-pulsopwekking over een uitgebreid spectraal bereik mogelijk maakt. Bovendien is de Raman-fononresonantie sterk en heeft deze een lange levensduur, waardoor de niet-lineariteit van de derde orde van diamant op de fs-tijdschaal aanzienlijk wordt verbeterd.
Resonante viergolfmenging (R-FWM) voor het genereren van fs THz-pulsen in een diamant kan worden beschouwd als een kloppend proces tussen een fs IR-puls met een coherente fonongolf die Raman-geëxciteerd wordt door twee ps-ingangspulsen. Het proces converteert de fs IR-puls door de fonongolf omlaag naar de fs THz-puls. De energieconversie-efficiëntie wordt direct gegeven door de THz-pulsenergieverhouding van de output tot de fs-pulsenergie van de input.
Het onderzoeksteam mat de THz-pulsopwekking met een middenfrequentie van 5 tot 20 THz. Dit spectrale bereik kan gemakkelijk worden uitgebreid tot >100 THz. Omdat de THz-stralingsefficiëntie toeneemt met het kwadraat van de frequentie, is er meer pulsenergie bij een hogere ingangsfrequentie. Het onderzoeksteam veronderstelt dat de output THz-energie gegenereerd door R-FWM in een dikkere diamant een niveau kan bereiken dat vergelijkbaar is met dat gegenereerd door DFG in GaSe of andere kristallijne verbindingen, vooral bij hogere THz-frequenties.
Hun studie heeft ondubbelzinnig vastgesteld dat R-FWM in een diamant kan worden omgezet in een hoogwaardige, krachtige fs THz-generator over een breed spectraal bereik zonder enige opening. Als een direct frequentie-omlaagconversieproces via de Raman-geëxciteerde fonongolf, genereert R-FWM fs THz-pulsen die de fs IR-invoerpuls dupliceren, behalve een verschuiving in frequentie en enige wijziging als gevolg van stralingsefficiëntie. Een ingangspuls van hoge kwaliteit genereert een THz-puls van bijna even hoge kwaliteit. Door de kenmerken van de ingangspuls af te stemmen, worden de kenmerken van de THz-uitgangspuls dienovereenkomstig afgestemd.
THz-uitvoerspectra: de frames van boven naar beneden presenteren spectra die zijn verkregen met straalgeometrieën die zijn ingesteld om verschillende centrale THz-frequenties op te leveren. Vaste krommen zijn theoretische passingen. (Afbeelding: Jiaming Le, Yudan Su, Chuanshan Tian, A. H. Kung, Y. Ron Shen) Momenteel is optische rectificatie (OR) of differentiefrequentiegeneratie (DFG) in niet-lineaire kristallen van de tweede orde de standaardtechniek om intense THz-pulsen te genereren. De THz-opwekking uit kristallen is echter beperkt vanwege fononabsorptie. Organische niet-lineaire kristallen zijn gebruikt voor efficiënte THz-opwekking, maar ze hebben slechts een paar smalle transparante vensters boven 5 THz en lijden aan lage optische schadedrempels.
Door laser geïnduceerde gasplasma's kunnen energetische THz-pulsen genereren. Ze zijn zeer geschikt als sondes voor lineaire THz-spectroscopie over een breed spectraal bereik. Door hun complexe ruimtelijke moduspatronen zijn ze echter minder gewenst als pompen voor sterke resonerende excitaties. Vrije-elektronenlasers en door elektronen aangedreven THz-bronnen kunnen ook fs-pulsen produceren die het gehele THz-spectrale bereik bestrijken, maar deze zijn voor de meeste onderzoekers niet direct beschikbaar.
Diamant heeft veel aantrekkelijke voordelen. De hoge optische schadedrempel zorgt ervoor dat de ingangspompintensiteiten zo hoog kunnen zijn dat niet-lineaire optische effecten van de derde orde worden geïnduceerd (bijv. Viergolfmenging) die kunnen concurreren met tweede-orde-effecten (bijv. DFG) in andere kristallen. Transparantie in het hele gebied van THz tot UV leidt tot een zwakke frequentiespreiding van optische responscoëfficiënten die fase-aangepaste THz-pulsopwekking over een uitgebreid spectraal bereik mogelijk maakt. Bovendien is de Raman-fononresonantie sterk en heeft deze een lange levensduur, waardoor de niet-lineariteit van de derde orde van diamant op de fs-tijdschaal aanzienlijk wordt verbeterd.
Resonante viergolfmenging (R-FWM) voor het genereren van fs THz-pulsen in een diamant kan worden beschouwd als een kloppend proces tussen een fs IR-puls met een coherente fonongolf die Raman-geëxciteerd wordt door twee ps-ingangspulsen. Het proces converteert de fs IR-puls door de fonongolf omlaag naar de fs THz-puls. De energieconversie-efficiëntie wordt direct gegeven door de THz-pulsenergieverhouding van de output tot de fs-pulsenergie van de input.
Het onderzoeksteam mat de THz-pulsopwekking met een middenfrequentie van 5 tot 20 THz. Dit spectrale bereik kan gemakkelijk worden uitgebreid tot >100 THz. Omdat de THz-stralingsefficiëntie toeneemt met het kwadraat van de frequentie, is er meer pulsenergie bij een hogere ingangsfrequentie. Het onderzoeksteam veronderstelt dat de output THz-energie gegenereerd door R-FWM in een dikkere diamant een niveau kan bereiken dat vergelijkbaar is met dat gegenereerd door DFG in GaSe of andere kristallijne verbindingen, vooral bij hogere THz-frequenties.
Hun studie heeft ondubbelzinnig vastgesteld dat R-FWM in een diamant kan worden omgezet in een hoogwaardige, krachtige fs THz-generator over een breed spectraal bereik zonder enige opening. Als een direct frequentie-omlaagconversieproces via de Raman-geëxciteerde fonongolf, genereert R-FWM fs THz-pulsen die de fs IR-invoerpuls dupliceren, behalve een verschuiving in frequentie en enige wijziging als gevolg van stralingsefficiëntie. Een ingangspuls van hoge kwaliteit genereert een THz-puls van bijna even hoge kwaliteit. Door de kenmerken van de ingangspuls af te stemmen, worden de kenmerken van de THz-uitgangspuls dienovereenkomstig afgestemd.
- Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
- Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
- Bron: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62310.php
