对非线性光学机制的最新解读

在超快光波电子学和激光材料加工中，控制和监测物质内部电子的光驱动运动是一个关键的挑战。来自柏林马克斯伯恩研究所和罗斯托克大学的物理学家现在揭示了一种迄今为止被忽视的非线性光学机制，它是由电介质中电子的光诱导隧穿产生的。对于接近材料损伤阈值的强度，在隧穿过程中产生的非线性电流成为强光爆发的主要来源，这是入射辐射的低次谐波。这些发现，刚刚发表在《自然物理学Nature Physics》上，极大地扩展了对电介质材料光学非线性的基本理解，以及它在信息处理和光基材料处理中的应用潜力。

上图所示为，由于强光场（红色）的激发，在透明介质材料中与光诱导电子隧穿有关的电流产生的光发射（蓝色）。

我们目前对中等光强下非线性光学的理解是基于所谓的克尔非线性，它描述了在入射光场的影响下，紧密束缚电子的非线性位移。当这个光场的强度足够高，足以将束缚电子从基态弹出时，这幅图就会发生巨大变化。在入射光场的长波长处，这种情况与隧穿现象有关，隧穿现象是一种量子过程，在这种量子过程中，电子通过由光力和原子势的联合作用形成的势垒，形成经典的禁带。

自20世纪90年代以来，由加拿大科学家弗朗索瓦·布鲁内尔（François Brunel）的研究首创，出现在“隧道末端”的电子运动，以最大概率发生在光波的波峰，被认为是光学非线性的重要来源。这一局面现在已经发生了根本性的变化。“在玻璃中的新实验下，我们可以证明量子力学隧道过程本身产生的电流产生了一种超越传统布鲁内尔机制的光学非线性，”非线性光学和短脉冲光谱学研究所的Alexandre Mermillod Blondin博士解释道，他参与了实验。实验中，将两个波长不同、传播方向稍有不同的超短光脉冲聚焦在一块玻璃薄片上，对其产生的光发射进行了时间和频率分辨分析。

Thomas Fennel教授在罗斯托克大学和马克斯·伯恩研究所工作，他在海森堡教授联盟的框架下，对测量结果进行了理论分析，从而确定了造成这种发射的机制。“根据我们称之为有效非线性的量对测量信号进行分析，是区分新的电离电流机制与其他可能机制并证明其优势的关键，”Fennel解释道。

利用这一知识和在这项工作过程中开发的新计量方法的未来研究，可能使研究人员能够以前所未有的分辨率，在时间上解决和控制电介质材料中的强场电离和崩塌，最终可能在单周期光的时间尺度上。

原文来源：https://phys.org/news/2020-06-tunnel.html