[논문 리뷰] Highly effective relativistic free carrier plasma mirror confined within a silicon slow light photonic crystal waveguide

Mahmoud Gaafar, Dirk Jalas외 5명|arXiv (Cornell University)|2017. 05. 13.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 9인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 실리콘 광결정 파동굴로에서 상대론적 자유전자 플라즈마 거울을 매우 효율적으로 작동시켜, 5×10¹⁷ cm⁻³의 자유전자 농도에서 1.2×10⁹ W/cm²의 펌프 파wer만으로도 35%의 반사율을 달성한다. 이는 기존의 플라즈마 거울에 비해 수 개의 주기 낮은 파워로도 가능하다. 이 효과는 분산 설계된 느린 빛 파동굴로에서 발생하는 간접적인 내부 준위 전이에 기인하며, 프로브 및 플라즈마 거울이 모두 봉쇄되어 있어 상대론적 도플러 이동을 통한 강한 전방 반사 및 주파수 상승이 가능하다.

ABSTRACT

Reflection at relativistically moving plasma mirrors is a well-known approach for frequency conversion as an alternative to nonlinear techniques. A key issue with plasma mirrors is the need for a high carrier concentration, of order 10^21 cm^-3, to achieve an appreciable reflectivity. To generate such high carrier concentrations, short laser pulses with extreme power densities of the order >10^15 W/cm^2 are required. Here, we introduce a novel waveguide-based method for generating relativistically moving plasma mirrors that requires much lower pump powers and much less carrier concentration. Specifically, we achieve an experimental demonstration of 35% reflection for a carrier concentration of 5*10^17/cm^3 generated by a power density of only 1.2*10^9 W/cm^2. Both the plasma mirror and the signal are confined and propagating within a solid state silicon slow light photonic crystal waveguide. This extraordinary effect only becomes possible because we exploit an indirect intraband optical transition in a dispersion engineered slow light waveguide, where the incident light cannot couple to other states beyond the moving front and has to reflect from it. The moving free carrier (FC) plasma mirror is generated by two photon absorption of 6 ps long pump pulse with a peak power of 6.2 W. The reflection was demonstrated by the interaction of a continuous wave (CW) probe wave co-propagating with the relativistic FC plasma mirror inside a 400 micro-meter long slow light waveguide. Upon interaction with the FC plasma mirror, the probe wave packets, which initially propagate slower than the plasma mirror, are bounced and accelerated, finally escaping from the front in forward direction. The forward reflection of the probe wave packets are accompanied by a frequency upshift. The reflection efficiency is estimated for the part of the CW probe interacting with the pump pulse.

연구 동기 및 목표

• 기존의 상대론적 플라즈마 거울에서 요구하는 높은 펌프 전력과 자유전자 농도 문제를 해결하기 위해.
• 고체 상태 파동굴로에서 저전력, 저밀도 자유전자 플라즈마를 이용해 효율적인 주파수 상승을 실현하기 위해.
• 느린 빛 분산과 간접적인 내부 준위 전이를 활용하여 빛-물질 상호작용을 봉쇄하고 강화하기 위해.
• 지속적 파장의 프로브 빛이 전방으로 반사되고 주파수 상승이 측정 가능한지를 실험적으로 입증하기 위해.

제안 방법

• 느린 빛 전파를 위해 설계된 400 µm 길이의 실리콘 광결정 파동굴로를 사용한다.
• 두광자 흡수를 통해 자유전자를 생성하기 위해 6.2 W의 피크 전력을 지닌 6 ps 펌프 펄스를 적용한다.
• 펌프와 연속파(CW) 프로브 빛을 동일한 파동굴로 모드 안에 봉쇄한다.
• 분산 설계된 파동굴로에서 발생하는 간접적인 내부 준위 광학 전이를 활용하여 다른 상태로의 결합을 방지한다.
• 자유전자 플라즈마 거울의 상대론적 운동을 이용해 프로브 파동의 도플러 이동과 반사를 유도한다.
• 이동하는 플라즈마 프론트와 상호작용하는 연속파 프로브의 비율에 기반해 반사 효율을 측정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이전에 요구되었던 것보다 훨씬 낮은 자유전자 농도와 펌프 전력으로도 자유전자 플라즈마 거울을 생성할 수 있는가?
• RQ2 광결정 파동굴로에서의 느린 빛 분산은 플라즈마 거울 형성에 있어 빛-물질 상호작용을 어떻게 향상시키는가?
• RQ3 간접적인 내부 준위 전이는 프로브 파동의 봉쇄와 반사 가능성을 어떻게 확보하는가?
• RQ4 고체 상태 파동굴로 플랫폼에서 전방 반사와 주파수 상승이 실험적으로 입증될 수 있는가?
• RQ5 저전력, 저밀도 플라즈마 조건에서 달성 가능한 반사 효율은 얼마인가?

주요 결과

• 지속적 파장의 프로브 파동과 상대론적 자유전자 플라즈마 거울이 상호작용하여 35%의 반사 효율을 달성하였다.
• 플라즈마 거울은 일반적으로 효과적인 반사에 필요한 10²¹ cm⁻³ 이하인 5×10¹⁷ cm⁻³의 자유전자 농도에서 생성되었다.
• 필요한 펌프 전력 밀도는 단지 1.2×10⁹ W/cm²였으며, 기존 방법에서 요구하는 >10¹⁵ W/cm²보다 훨씬 낮았다.
• 프로브 파동 패킷이 반사 후 전방으로 가속화된 것으로 나타나, 이동하는 플라즈마 거울로부터 효과적인 동량 이행이 일어났음을 시사한다.
• 반사된 프로브 파동의 주파수 상승이 확인되었으며, 이는 상대론적 도플러 이동 물리 법칙과 일치한다.
• 프로브와 플라즈마가 동일한 파동굴로 모드 안에 봉쇄되어 있어, 낮은 자유전자 농도임에도 불구하고 강한 상호작용과 높은 효율을 달성할 수 있었다.