新型强锁相太赫兹脉冲发射器

Original Light新媒体 LightScienceApplications 2022-05-25 18:48 Posted on 吉林

撰稿 | 张砚曾

导读

近日，来自德国雷根斯堡大学的Christian Meineke, Rupert Huber等人发表了题为 “Scalable high-repetition-rate sub-half-cycle terahertz pulses from spatially indirect interband transitions”的科技文章。强锁相太赫兹 (THz) 脉冲的载流场可以产生瞬态偏置从而在亚周期时间尺度上控制电子。例如，太赫兹扫描隧道显微镜或一些以光学时钟速率运行的电子设备，往往都需要以兆赫兹 (MHz) 的重复率获得短的近单极性波形。因此强锁相太赫兹脉冲为当今太赫兹光电器件的发展奠定了基础。

这篇文章提出了一种灵活且可扩展的方案，通过基于II型对齐外延半导体异质结构中的移位电流来生成强锁相太赫兹脉冲。测量出的THz波形在强度包络的半峰全宽 (FWHM) 内的中心频率处仅为0.45个光学周期，峰值场高于 1.1 kV cm^-1，光谱分量可高达中红外，重复频率为4 MHz 。文章分析表明，当电子和空穴在被光泵脉冲分离后接近电荷中性时，局部荷电动力学会引起明显的正太赫兹发射峰，这也使得超宽带操作成为可能。该文章已发表在Light: Science & Applications 期刊上。

研究背景

太赫兹光谱范围内的超短脉冲是现如今探测和控制凝聚态物质中低能基本动力学的最直接工具。具有跨倍频程光谱和亚周期持续时间的强锁相太赫兹波形使得其强载流场作为瞬态偏置可以来直接驱动超快电流，其时间尺度小于光的单一周期。凭借这种优势，太赫兹脉冲已经用于实现对固定纳米结或扫描隧道显微镜的诱导遂穿。

理想情况下，单向电流应由具有单个振荡半周期构成的严格单极太赫兹波形驱动。然而，最好的太赫兹波形由非对称的双极瞬变组成，其中占主导地位的正半周期大大超过了抵消电场时间积分所需的微弱负偏移的强度。此外，实验中往往需要高强度与可扩展的场强（一般为1kv cm^-1或更高），并伴随有1MHz 以上的高重复率，以驱动所需的非线性并保证信噪比。

大多数情况下，利用近红外飞秒激光脉冲的频率转换来产生高强度亚周期的太赫兹脉冲；但当增加非线性晶体长度来提高场强时会限制带宽。基于逆自旋霍尔效应的自旋充电电流转换发射器可以产生倍频程、亚周期太赫兹波形；而因趋肤效应导致需要大的泵浦脉冲能量来满足高场强。具有II型能带排列的过渡金属二卤化物（TMDCs）异质层中的电子-空穴对受光激发后，通过移位电流进行电荷分离可产生亚周期太赫兹脉冲；但由于低电荷分离长度，使得缺乏可扩展性。通过对直流偏压量子阱 (QW) 中的电子-空穴对和非对称对称QW中的带内转换光激发来产生亚周期太赫兹脉冲，但还没有扩展到高功率泵浦激光器。

文章巧妙的将II型对齐纳米结构中基于移位电流的太赫兹产生概念转移至外延半导体异质结构中，并引入一中能够产生强非对称亚周期场瞬变的可扩展太赫兹源。

研究创新

科学家们在非对称耦合的半导体量子阱中设计电子波函数，即使没有任何偏压，共振带间光激发也会通过几纳米的位移电流来诱导超快电荷分离。通过将带间跃迁微调到高功率镱光纤泵浦激光器的光谱范围，可产生中心频率在FWHM内仅具有 0.45 个光周期，重复率高达4 MHz的强太赫兹脉冲。通过调整泵浦脉冲频谱和持续时间，实现高达1.1 kV cm^-1的正场最大值（相比负偏移高出 3.7 倍）。

提出的太赫兹发射极的示意图如图1所示。由In0.124Al0.876As势垒隔开的 100 个GaAs0.87Sb0.13/In0.141Ga0.859As量子阱组成的量子阱发射器，65° 近布儒斯特角入射以进行泵浦。镱光纤激光器的飞秒脉冲在多通道池 (MPC) 中使用熔融石英（χ⁽³⁾）中的自相位调制进行光谱展宽并压缩至30 fs – 90 fs。脉冲既充当量子阱发射器的泵浦，又充当电光检测中6 µm厚度GaSe电光晶体的栅极。

图 1 量子阱发射器产生太赫兹的概念和实验装置。

通过电光采样在6微米厚的GaSe晶体中检测到的单极性太赫兹瞬态电场波形（紫色），如图2。强度包络的FWHM持续时间为 183 fs，对应于2.47 THz下的0.45个光周期。泵场幅度（红色区域），以及理论上预测的具有（实线）和不具有（虚线）局部荷电动力学的太赫兹波形。

文章的单极太赫兹发射器标志着下一代可扩展的高重复频率强非对称电场瞬变源的发展趋势。并且由于发射器方案的多功能性，波形、光谱和场强可以针对许多应用进行调整，可应用到非线性光-物质相互作用、超宽带光谱和飞秒纳米镜技术等领域。

图2 单极性太赫兹瞬态和全量子理论-实验比较。

论文信息：

该研究成果以“Scalable high-repetition-rate sub-half-cycle terahertz pulses from spatially indirect interband transitions“为题在线发表在Light: Science & Applications。Christian Meineke为本文的第一作者，Mackillo Kira和Rupert Huber为本文的通讯作者。

论文地址：

https://www.nature.com/articles/s41377-022-00824-6