超強激光科學卓越創(chuàng)新簡報

(第五百六十六期)

2024年10月21日

上海光機所在氧化鋁的太赫茲非線性吸收研究方面取得新進展

近期，中國科學院上海光學精密機械研究所強場激光物理國家重點實驗室研究團隊在氧化鋁的太赫茲非線性吸收研究方面取得新進展。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強度等優(yōu)點，已被應用于結(jié)構(gòu)檢測、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缺乏。過往研究表明，塊狀材料很難達到較高的可飽和調(diào)制深度，而新型二維材料則受到大規(guī)模制備和長期穩(wěn)定性方面的挑戰(zhàn)。氧化鋁在強場太赫茲脈沖的作用下，會出現(xiàn)明顯的非線性吸收現(xiàn)象，有助于實現(xiàn)穩(wěn)定而實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)展帶來了新的契機。

在這項工作中，研究團隊設計搭建了一套太赫茲泵浦探測實驗裝置，利用Yb:YAG激光器輸出的超短脈沖激光泵浦DSTMS有機晶體，產(chǎn)生頻譜寬度覆蓋 0.1-8 THz的強場太赫茲源，并通過一對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)測量太赫茲電場透過率。結(jié)果表明，氧化鋁在太赫茲波段具有高調(diào)制深度（27.5%）和低可飽和強度（6.99 μJ/cm²）的優(yōu)良性能，根據(jù)第一性原理計算，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)生了強烈的太赫茲誘導透明現(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，有望廣泛應用于高重頻太赫茲激光器。

相關(guān)工作得到國家自然科學基金項目、科技部重點研發(fā)計劃、基礎研究特區(qū)計劃等支持。

原文鏈接

圖1. 實驗中有（藍色）、無（紅色）氧化鋁樣品時測量的太赫茲波電場(a)、頻譜(b)，以及不同泵浦通量下的太赫茲光譜透過率(插圖)；不同太赫茲通量下的功率透過率及其擬合曲線(c)。

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