《探索 | 固体高次谐波探测非绝热电声相互作用》

  • 来源专题:光电情报网信息监测服务平台
  • 编译者: 胡思思
  • 发布时间:2024-12-16
  • 高次谐波(High Harmonics Generation, HHG)是指通过光与物质相互作用,将入射激光转换为数倍于激光频率的强相干辐射。它也是产生阿秒激光脉冲的最常用方法之一。近年来,基于固体的HHG迅速发展,成为超快科学的重要前沿。利用HHG探索固体材料特性引起了阿秒科学和强场凝聚态物理领域的极大关注。

    考虑到固体HHG主要源于激光场驱动的带内和带间电子的非线性动力学过程,以往对固体材料HHG的探索往往忽视准粒子效应(例如声子动力学)对HHG过程的影响。然而这样的假设在电子、声子响应时间相当时会失效,此时电子-声子相互作用及其非绝热效应变得不可忽视。这些效应不仅在固体材料动力学例如相变过程中被证明有重要的作用,也会极大影响HHG光谱以及由此产生的极紫外阿秒激光。

    最近,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心SF10研究组的博士后胡史奇等在孟胜研究员的指导下,借助第一性原理含时密度泛函理论,利用组内自主开发的非绝热含时密度泛函分子动力学方法和软件(TDAP),研究了二维过渡金属硫化物MoS2中相干声子耦合的HHG动力学。研究发现,相干声子通过绝热和非绝热的电声相互作用,强烈影响了固体HHG的动力学行为。这些影响极大地改变HHG产率的振荡周期和相位,从而能够在实验上直接测量非绝热电子-声子耦合作用。具体表现在:(1)HHG产率随声子周期性的振荡归因于声子形变效应引起的能带结构的绝热调制。(2)一些特别阶次的HHG产率振荡与声子运动之间存在很大的相位延迟,这起源于MoS2谷能带中光激发载流子的非绝热动力学过程。基于上述结果,他们理论上提出了利用声子耦合的HHG光谱对固体电声耦合及其非绝热效应进行直接实验探测的新方案,这对于理解固体中的电荷密度波以及高温超导微观机理都将发挥重要作用。

    图. (a, b)利用泵浦-探测(pump-probe)方法测量相干声子耦合的高次谐波(HHG)示意图。(c, d)声子动力学对HHG谱以及产率的调制

  • 原文来源:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.156901
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    • 利用红外飞秒激光脉冲与气体相互作用产生低阶谐波是获取紫外(UV)和真空紫外(VUV)光源的重要途经,广泛应用于超快时间分辨光谱、亚周期脉冲合成和频率梳技术等领域。实验和理论研究表明,单色激光场在空气中产生三次谐波的效率受制于多个实验参数,例如激光强度、脉冲宽度、聚焦条件和气压等。 与单色激光场相比,基频脉冲与其倍频脉冲构成的双色场通过四波混频作用可产生转换效率超过13%的三次谐波。传统观念上,三次谐波的产生可认为是非线性参量过程的结果,主要通过直接通道(3ω = ω +ω +ω)和四波混频通道(3ω = 2ω +2ω - ω)实现。因而双色场之间的相对相位起着关键作用,但其数值很难通过实验精确标定。为了提高三次谐波转效率,实验上通常对强泵浦激光进行聚焦,使气体产生强电离。三倍频的产率主要取决于自由电子的非线性响应,也强烈依赖于双色场之间的相对相位。基于含时单向脉冲传播方程的数值模拟,从理论上研究了三次谐波产生机制对泵浦光强度的依赖性。然而,据我所知,目前还没有关于不同泵浦光强度下双色场诱导气体产生三次的相位延迟的实验研究。这是一个有趣的领域,值得进一步的实验和理论研究。 国防科技大学赵增秀教授领导的课题组在Chinese Optics Letters2023年第21卷第5期上(Congsen Meng, et al., Phase dependence of third-order harmonic generation in gases induced by two-color laser field)通过800+ 400 nm飞秒激光脉冲相位依赖性研究了不同泵浦激光强度下电离气体产生三次谐波的机理,并被选为当期Editors’ Pick。 该项工作中,研究人员通过实验研究了双色激光场不同激光强度下三次谐波的产生机制。在低光强下,发现三倍频源于三阶非线性过程,即直接通道或者四波混频通道,并在实验上观察到了两个通道之间的干涉。同时,研究人员通过阿秒精度下的相位延迟,精确地测量了太赫兹辐射对相对相位的依赖。实验发现,如果两个泵浦光脉冲不完全重叠,则三次谐波光谱会表现出不对称性,其来自于具有宽带泵浦脉冲光谱的四波混频过程,如图1 (b)所示。图1(c)表明随着泵浦光强度的增加,太赫兹最优相位是个常数(0.8 π),而三次谐波的最优相位从0跳到0.5 π,证实了三次谐波的来源从三阶束缚电子转变为隧穿电离产生的非线性电流。该研究进一步理解了气体中三次谐波的产生机制,并有望产生更加高效的三次谐波源。 图1 (a)三次谐波与太赫兹同步测量的实验光路;(b)三个不同的时间延迟下的三次谐波谱;(c)不同光强下三次谐波与太赫兹的最优相位与最优产额
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