[论文解读] Extraordinary nonlinear optics in ordinary semiconductors

N. Aközbek, V. Roppo+5 more|ArXiv.org|Apr 27, 2009

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 1被引用 3

一句话总结

本文表明，由于泵浦波与谐波之间的相位锁定机制，普通半导体在极端紫外（UV）频率下可表现出非凡的非线性光学效应，如吸收抑制和光学透明。关键结果是，谐波信号可在体相金属介质中无吸收传播，从而为超快非线性光学和纳米等离子学开辟新可能。

ABSTRACT

We numerically demonstrate inhibition of absorption, optical transparency, and anomalous momentum states of phase locked harmonic pulses in semiconductors, at UV and extreme UV frequencies, in spectral regions where the dielectric constant of typical semiconductors is negative. We show that a generated harmonic signal can propagate through a bulk metallic medium without being absorbed as a result of a phase locking mechanism between the pump and its harmonics. These findings may open new regimes in nonlinear optics and are particularly relevant to the emerging fields of nonlinear negative index meta-materials and nano-plasmonics, especially in the ultrafast pulse regime.

研究动机与目标

• 研究在极端紫外激发下，常规半导体中的非线性光学现象。
• 探索在介电常数为负的材料中，谐波生成在无吸收条件下发生的条件。
• 理解泵浦波与谐波之间相位锁定在实现体相金属介质中透明性中的作用。
• 利用标准半导体识别非线性光学的新区域，并探讨其在负折射率超材料等新兴领域中的相关性。
• 展示通过非线性相位锁定机制实现超快脉冲在吸收性介质中传播的可行性。

提出的方法

• 通过数值模拟建模高强度超短激光脉冲与极端紫外波段半导体的相互作用。
• 分析聚焦于半导体介电常数为负的光谱区域，表明其具有类似金属的行为。
• 识别出基波泵浦波与二次谐波之间的相位锁定机制，是实现透明性的关键物理机制。
• 通过求解具有频率依赖介电响应的非线性麦克斯韦方程组，模拟谐波生成与传播。
• 在高强度激发条件下分析系统，以激发非线性极化和谐波生成。
• 模拟追踪了体相介质中电场振幅以及泵浦波与谐波之间相位关系的演化。

实验结果

研究问题

• RQ1 在介电常数为负的半导体中，谐波能否无吸收地生成并传播？
• RQ2 在强非线性激发下，体相金属介质中光学透明性的物理机制是什么？
• RQ3 泵浦波与谐波之间的相位锁定在极端紫外波段的能量转移与传播中起什么作用？
• RQ4 常规半导体在多大程度上能支持通常与工程化超材料相关的非凡非线性光学效应？
• RQ5 这些效应对超快光子器件和纳米等离子系统有何影响？

主要发现

• 由于与泵浦波的相位锁定，介电常数为负的半导体中生成的谐波信号可无吸收传播。
• 尽管在线性区域存在强本征吸收，但在极端紫外频率下，体相金属介质中观察到了光学透明性。
• 基波与二次谐波之间的相位锁定机制抑制了能量损耗，实现了谐波的持续传播。
• 该现象发生在标准半导体中，无需人工纳米结构或超材料设计。
• 这些结果为超快非线性光学开辟了新途径，并在负折射率材料和等离子学中具有应用前景。
• 研究结果表明，常规材料可表现出以往认为需依赖工程化超材料才能实现的特性。