在非晶介质材料中实现激光脉冲的倍频

在实验室中，Cai和其合作者Mohammad Taghinejad、Zihao Xu、Kyu Tae Lee和Tianquan Lian在中心对称的二氧化钛板表面创建了一系列微小的等离子金三角形。然后，他们用红色激光脉冲照亮二氧化钛/金结构，激光脉冲充当光开关，打破材料的晶体对称性。而非晶二氧化钛板在自然状态下是不支持强的二阶非线性效应。

 “光开关激发了金三角内的高能电子，一些电子从三角形的尖端迁移到二氧化钛中，”Cai解释道。“由于电子迁移到二氧化钛板主要发生在三角形的尖端，电子迁移在空间上是不对称的过程，以光学方式快速地破坏二氧化钛晶体对称性。”

在红色激光脉冲被触发后，几乎立即观察到诱导对称破缺效应，使第二激光器的频率加倍，然后从含有激发电子的二氧化钛反弹。诱导二阶非线性的寿命通常取决于在脉冲消失后，电子从二氧化钛迁移到金三角的速度有多快。在研究人员报告的案例研究中，诱导的非线性效应持续了几皮秒，研究人员说这对于使用短脉冲的大多数应用来说已经足够了。一个稳定的连续波激光可以使这种效果持续多久的激光。

 “诱导的非线性响应的强度很大程度上取决于能从金三角移到二氧化钛板上的电子数量，”Cai补充说。“我们可以通过红光的强度来控制迁移电子的数量。增加光开关的强度会在金三角形内产生更多的电子，因此会向二氧化钛板中发送更多的电子。”

图中显示了通过热电子转移破坏反转对称性的过程

在概念证明的基础上还需要进一步的研究，这是第一次证明中心对称材料的晶体对称性可以通过非对称电子迁移通过光学手段被打破。

为了接近我们的技术本质的具体标准，我们仍然需要制定指导方针，告诉我们应该使用金属/半导体材料平台的组合，什么样的形状和尺寸将最大化二阶非线性效应的强度，以及应该使用什么波长的激光波长。

而倍频只是这项技术的一个潜在应用。“我们相信，我们的发现不仅在非线性纳米光子学领域提供了各种机会，而且将在量子电子隧穿领域发挥重要作用，”Cai补充说到，“在这一领域积累的知识的基础上，我们小组正在设计新的范式，将引入的对称破缺技术用作监测混合材料平台中电子量子隧穿的光学探针。如今，只有扫描隧道显微镜（STM）技术才能实现这一具有挑战性的目标，这种技术速度非常慢，并且显示出较低的产率和灵敏度。”

原文来源：https://phys.org/news/2020-01-laser-pulse-frequency-amorphous-dielectric.html