新型纳米结构可将激光脉冲转换为高次谐波

康奈尔大学的研究人员已经开发出了能够将激光脉冲转换为高次谐波的纳米结构，为高分辨率成像和研究阿秒级物理过程的新科学工具铺平了道路。

长期以来，高次谐波产生一直被用于将脉冲激光器中的光子合并为一个具有更高能量的超短光子，产生用于各种科学目的的极紫外光和X射线。传统上，气体被用作谐波源，但由工程学院应用和工程物理学教授根纳季·什维茨（Gennady Shvets）领导的一个研究小组已经表明，工程纳米结构在这方面有一个光明的前景。

这项研究结果7月7日发表在《自然·通讯》杂志上，该论文标题是《利用单一和多个超强激光脉冲在共振超表面产生偶奇高谐波》（Generation of Even and Odd High Harmonics in Resonant Metasurfaces Using Single and Multiple Ultra-Intense Laser Pulses）。马克西姆·施切尔巴科夫(Maxim Shcherbakov)是这项研究的第一作者。施切尔巴科夫在成为加州大学欧文分校(University of California, Irvine)助理教授之前，曾担任康奈尔大学(Cornell)博士后助理，负责这项研究工作。

该团队创造的纳米结构构成了超薄共振磷化镓超表面，它克服了气体和其他固体中产生高次谐波的许多常见问题。磷化镓材料可以在不重新吸收的情况下产生所有阶次的谐波，而且这种特殊的结构可以与激光脉冲的整个光谱相互作用。

红外激光照射磷化镓表面，有效地产生奇偶高谐波。

马克西姆·施切尔巴科夫(Maxim Shcherbakov)说：“实现这一目标，需要利用全波模拟对超表面结构进行工程设计。”“我们仔细选择了磷化镓粒子的参数来满足这一条件，然后通过定制的纳米制造流程将其曝光。”

其结果是纳米结构既能产生偶次谐波，又能产生奇次谐波——这是大多数其他谐波材料的一个限制。这种纳米结构可覆盖范围广泛的光子能量，在1.3-3电子伏特之间。

这种破纪录的转换效率，使科学家只需用一次激光照射，就能观察到材料中的分子和电子动力学，有助于保存可能被多次高能照射降解的样品。

这项研究是第一次观察到由单一激光脉冲产生的高谐波辐射，这使得超表面能够承受高功率——比以前在其他超表面显示的高5~10倍。

施切尔巴科夫说："这为在超高磁场中研究物质提供了新的机会，这在以前是不容易实现的。"“通过我们的方法，我们设想人们可以研究超表面之外的材料，包括但不限于晶体、二维材料、单原子、人工原子晶格和其他量子系统。”

目前，已经证明了使用纳米结构产生高谐波的优势之后，他们希望通过将纳米结构堆叠在一起来取代固态源，如晶体，来改善高谐波器件和设施。

相关链接：1.https://www.nature.com/articles/s41467-021-24450-9 

2.https://phys.org/news/2021-07-nanostructures-enable-high-harmonic.html