Coherent 펨토초 증폭기 출력의 THz 연구 이점

THz 펄스를 생성하는 다른 방법과 비교하면 후버의 방법은 몇 가지 장점이 있습니다. 첫째, THz 펄스는 일관성이 있어 반도체나 유전체 재료에 집중시키면 높은 전기장을 생성할 수 있습니다. 또한 두 OPA 간의 주파수(파장) 차이를 조정하여 THz 펄스의 중심 파장을 쉽게 조정할 수 있습니다. 이러한 펄스를 통해 연구자는 전기장 강도, THz 주파수 및 CEP 오프셋 등 여러 매개 변수의 함수로 효과를 연구할 수 있습니다.

강력한 증폭기의 필요성

이 연구에 사용된 레이저 시스템의 핵심은 티타늄 사파이어 증폭기로, 높은 펄스 에너지, 높은 반복률(즉, 높은 평균 전력), 탁월한 빔 품질 및 냉각 단순성이 이 중폭기가 선택된 주된 이유입니다. 이제 이러한 특성이 왜 매우 중요한지, 그리고 Legend Elite Duo가 이러한 장점을 조합하여 독특하게 제공하는 방식을 살펴보겠습니다.

후버팀 구성원인 올라프 슈베르트 박사에 따르면, "높은 펄스 에너지는 두 가지 이유로 중요합니다. 먼저 이는 가장 높은 THz 펄스 에너지로 이어지며 따라서 반도체 샘플에서 가장 높은 순간 전기장이 발생합니다. 그리고 마찬가지로 중요한 점은 CEP 안정화 THz 펄스를 생성하는 이 방법은 위상이 완전하게 상관된 두 개의 OPA를 사용한다는 것입니다. 이 상관 관계를 달성하는 유일한 간단한 방법은 하나의 증폭기 소스에서 두 OPA를 구동하는 것입니다. 증폭기는 두 OPA에 대한 단일 백색광 시드 펄스와 증폭기 구동 전력을 모두 제공해야 합니다." 후버 THz 설정을 처음 조립했을 때 Legend Elite Duo로부터 3kHz 반복률로 얻을 수 있었던 가장 높은 가용 펄스 에너지는 5밀리줄이었습니다.*

이러한 유형의 연구에서 반복률을 높이면 실험에 수반되는 모든 비선형 상호 작용에도 불구하고 다중 매개 변수 실험을 더 짧은 기간 내에 수행할 수 있습니다. Evolution-HE는 주파수가 두 배로 증가된 Nd:YLF 레이저로 3kHz에서 최대 15mJ/펄스를 제공하는 강력한 레이저입니다. 이 레이저로 Legend Elite를 펌핑하면 3kHz에서도 높은 펄스 에너지를 낼 수 있습니다.

OPA는 비선형 장치이기 때문에 빔 품질(즉, 낮은 M²) 및 작은 노이즈가 중요합니다. 실제로 효율(즉, 출력)은 펌프 레이저의 빔 품질에 따라 상당히 달라집니다. 또한 THz 생성 및 더 높은 고조파는 입력 전력 변동이 증폭되는 비선형 프로세스이기 때문에 펌프 빔의 진폭 노이즈에 의해 부정적인 영향을 받습니다. 빔 품질과 노이즈가 향상되면 데이터의 SNR이 크게 향상되고 데이터 수집 시간이 단축됩니다.

Coherent Legend 증폭기는 단기 및 장기적으로 일관된 높은 빔 품질과 노이즈를 제공하도록 설계되었으므로 각 실험 데이터 세트를 신속하게 수집할 수 있을 뿐만 아니라 재현성이 매우 높습니다.

전기 광학 감지 - 펨토초 속도로 THz 신호 샘플링

이미 언급한 바와 같이, 펄스를 반도체(GaSe) 샘플에 집중시키면 강렬한 THz 펄스가 펨토초 단위로 진동하는 100MV/cm 전기장을 생성합니다. 전기장은 GaSe의 전자를 여기시키고 진동 여기의 결과로 재방출되는 THz 방사선을 "스트로보스코픽 방식으로" 감지하여 펨토초 해상도로 전자의 역학을 모니터링할 수 있습니다.

이러한 THz 신호 펄스는 포켈스 효과를 사용하여 기록합니다. 기존 포켈스 셀에서는 KD*P와 같은 크리스털에 고전압 전기장이 인가됩니다. 이로 인해 크리스털에 들어오는 광학 방사선의 편광이 회전됩니다. 교차편광판을 추가하면 능동형 광 스위치가 됩니다. 여기에 설명된 연구에서 THz 장은 상대적으로 느린 전기장을 대체하여 일시적인 복굴절을 유도합니다. THz 필드 진동의 고속 감지는 OPA 출력의 일부를 YAG 크리스털에 집중시킨 다음 이러한 스펙트럼이 넓은 펄스를 8fs 펄스폭으로 재압축하여 생성된 초연속 펄스의 전송에서 편광 이동을 감지함으로써 수행됩니다(그림 1 참조). (일련의 초기 실험에서 이러한 펄스는 광섬유 레이저에서 생성되었습니다[2].)

또한, 시간 평균 신호는 InGaAs 다이오드 어레이와 실리콘 CCD가 장착된 분산형 단색기를 통해 주파수 영역에 매핑됩니다. 포켈스 감지 데이터와 함께 이 설정을 사용하면 방출된 스펙트럼을 테라헤르츠 대역에서 원적외선을 통해 가시광선 스펙트럼에 매핑할 수 있습니다.

전자공학의 의미 – 블로흐 진동 및 기타.

펠릭스 블로흐는 85년 전에 이러한 GaSe 샘플과 같은 주기적인 고체에서 고도로 가속된 전자는 유효 파장이 크리스털 격자와 크기 규모가 동일하여 빠르게 진동할 것이라고 예측했습니다[3]. (이는 더 긴 파장에서 광자와 주기적 구조 사이의 잘 알려진 간섭과 유사합니다.) 그러나 자연 고체의 블로흐 진동은 전자의 매우 빠른 산란으로 인해 관찰하기가 거의 불가능합니다[4]. 펨토초 THz 펄스를 사용하면 여기 시간 척도가 산란 과정과 비슷하거나 빨라지고 진동하는 전자는 0.1~675THz 주파수 범위 전체에서 감지 가능한 전자기 방사선을 방출합니다.

기술적인 용어로 말하면, THz 여기 펄스가 외부 전기장을 빠르게 전환함에 따라 전자는 원자가 밴드와 전도 밴드 사이에서 전이를 겪습니다. 이는 광자 에너지가 낮기 때문에 선형 광 흡수에서는 불가능합니다. 더욱이 그에 따른 방출의 세부 사항은 여기 펄스의 CEP 오프셋 변화에 매우 민감합니다.

파더본 대학의 토르스텐 마이어와 협력하여 마부르크 대학의 스테판 W. 코흐 및 마킬로 키라 그룹은 블로흐의 독창적인 예측을 훨씬 뛰어넘는 완전한 양자 다체 이론을 개발하여 이러한 종속성을 성공적으로 분석했습니다[5]. 간단히 말해서, 그들은 세 개의 서로 다른 원자가 밴드와 두 개의 전도 밴드가 관련되어 있음을 보여주었습니다. 이 복잡한 상황은 원자가 밴드와 전도 밴드 사이에 여기를 위한 여러 경로를 제공합니다(그림 4 참조). 그들은 관찰된 CEP 의존성이 서로 다른 경로 간의 간섭의 결과임을 보여줍니다.

단순화된 용어로, 이러한 고유한 데이터는 테라플롭 클럭 속도의 미래 반도체 장치와 관련된 그동안 알려지지 않았던 양자 전자 현상을 드러냅니다. 구체적으로, 빛의 단일 주기의 시간 척도에서 고전기장 전하 수송의 새로운 체제에 대한 첫 장을 열었습니다.

포토닉스의 의미 - 위상 고정 고조파

포토닉스 관점에서 볼 때 GaSe에서 방출되는 방사선의 특성은 똑같이 흥미롭고 잠재적으로 널리 중요하고 유용합니다. 첫째, 이 방사선은 믿을 수 없을 정도로 광범위한 고조파와 그에 따른 주파수를 포괄합니다. 방사선은 <0.1THz의 기본 주파수에서 가시광선을 거쳐 675THz의 22차 고조파까지 확장된 후 세기가 자연적으로 감소하여 광검출기의 파장 범위를 벗어납니다.

이 조파수 조합은 펨토초 시간 척도에서 다른 과학을 수행하는 데 그 자체로 유용하고 독특한 도구가 됩니다. 여기에는 두 가지 측면이 있습니다. 첫째, 이는 고조파의 매우 긴 사다리이며, 둘째, 모든 고조파는 광범위한 전자기 스펙트럼에 걸쳐 있음에도 불구하고 일관성이 있고 위상이 정확하게 고정되어 있습니다. 후버 그룹은 6차 고조파와 같은 주파수를 두 배로 늘리고 이 고조파와 12차 고조파 사이의 간섭을 감지하는 표준 f-2f 간섭계 비교를 통해 이러한 CEP 안정성을 확인했습니다. 전체 10분 측정 간격에 걸쳐 마이크로라디안 수준의 CEP 안정성을 확인하였습니다.

요약

더 높은 밀도와 더 빠른 속도로 집적 반도체 회로 개발을 지원하려면 반도체 물리학의 새로운 영역을 탐구해야 합니다. 에너지가 풍부하고 안정적인 펨토초 레이저 증폭기는 THz 영역 고조파 생성과 같은 고도의 비선형 프로세스를 펌핑하여 고전기장, 고속 고체 물리학을 조사할 수 있는 고유한 도구가 됩니다. 이러한 조건에서 일관된 전자 효과에 대한 새로운 정보를 얻는 것 외에도 중요한 부수적인 이점은 전자기 스펙트럼의 가시 범위를 통해 전체 THz에 걸쳐 펨토초 지속 시간의 위상 안정화 고조파의 확장된 사다리를 생성한다는 것입니다. 이 사다리는 최첨단 광자 실험에 유용한 도구임이 입증될 것입니다.