白皮书
太赫兹研究得益于 Coherent 飞秒放大器功率
稳定的 Coherent Elite Duo 的高脉冲能量和脉冲重复频率相结合，可产生强烈的 CEP 稳定太赫兹脉冲，用于询问半导体中的高场电子行为。
简介
在雷根斯堡大学 Rupert Huber 教授的实验室中，使用 Coherent 超快放大器 Legend Elite Duo 来产生 CEP 稳定的太赫兹脉冲。这些脉冲用于探测 GaSe 样品中的电子在接近 100 MV/cm 的瞬态太赫兹场的影响下的行为。通过在 GaSe 探测器中用 8 fs 脉冲对所得信号进行电光“频闪”选通，数据产生了有关布洛赫振荡的重要信息，以及只有在这些高场和短时间间隔下才能揭示的相干和干扰导电机制 [1]。该信息可用于相干电子学和潜在的相干太赫兹速率电子计算的新兴领域。另一个好处是，从样品辐射的信号将采用高阶谐波的扩展“阶梯”的形式，独特地覆盖从远红外 < 0.1 THz 到紫外 675 THz 的范围，所有的相位稳定锁定，用于光子实验。Legend Elite 放大器的脉冲能量和稳定性可实现高场振幅和高谐波 CEP 稳定生成。
固态电子学的新领域
微电子的功率和密度继续按照摩尔定律看似无情地增长。多年来，跟上这一总体行业路线图的主要挑战始终是制造更小的结构，推动微光刻远远超出假定的衍射极限。然而，随着栅极线和其他特征缩小到仅数十纳米，固有的材料特性开始出现障碍；例如，低 电介质的使用越来越多。新的挑战包括由于物理尺寸缩小而导致极高电场和相干/量子现象产生的其他影响。集成电子学（包括所谓的相干电子学）的持续进步需要更深入地了解电子（和空穴）在这些极端条件下的行为。
例如，在最新的集成电路中，电场可以瞬间超过 1 MV/cm，固态物理学家想知道在这个量级或更高的电场下，基本电荷传输机制是如何变化的。这是因为许多半导体材料的典型击穿场约为 1 MV/cm，如果应用更高的场，则会迅速发生故障（甚至燃烧）。一种能够在几飞秒内安全地应用更高场的解决方案是使用超快太赫兹脉冲。
为什么使用太赫兹脉冲？
太赫兹辐射是电磁波谱中夹在红外和微波区域之间的部分。由于具有有用强度的太赫兹辐射很难通过传统（例如黑体）方法产生，因此只有随着最近基于激光的方法和巧妙的高速检测方案的发展，这种辐射窗口才从一种奇事转变为各种科学和商业应用的重要工具。
如本文所述，采用超快激光器的混频技术能够产生能量高达 30 微焦耳、脉冲持续时间为几十飞秒或更短的相干宽带太赫兹脉冲。这些脉冲对于研究半导体非常有用，因为当聚焦到样品中时，它们可以产生接近 100 MV/cm 的局部电场。由于太赫兹光子的能量比典型的半导体带隙低两个数量级或更少，太赫兹高场可以用作精确可调的偏置。此外，尽管瞬时场强可能比许多半导体的典型直流击穿电压大两个数量级，但脉冲的短暂（飞秒）持续时间意味着可以研究由此产生的高场效应，而实际上没有材料击穿的风险发生。
生成 CEP 稳定的 Coherent 太赫兹脉冲
2008 年，Huber 小组演示了一种生成太赫兹脉冲的方法，其中电场振荡和脉冲的载波包络之间的相位非常稳定且易于调节。这里概述的工作是首次使用这些 CEP 稳定的太赫兹脉冲来研究半导体【在本例中为硒化镓（GaSe）】中的电荷传输。（其他小组之前的研究已经检验了强烈的非 CEP 稳定太赫兹脉冲对半导体的影响。）预计调节 CEP 延迟的能力可以揭示到目前为止隐藏的传导路径信息。
如图 1 所示，其设置的核心是 Coherent Legend Elite Duo 超快放大器，由脉冲 Coherent Evolution 激光器泵浦。该放大器由钛蓝宝石 Coherent Vitara 激光振荡器作为种子源，振荡器由低噪声 Coherent Verdi 激光器泵浦。放大器输出光束用于泵浦两个可调谐光参量放大器（OPA）。当组合在一个合适的差频产生（DFG）晶体中时，这两个 OPA 的信号波长经过调谐，可在其输出之间产生太赫兹频率差（例如 30 THz）。使用 DFG 技术可确保产生的脉冲是“被动”的 CEP 稳定，但不需要 CEP 稳定的泵浦激光器。
图 1. 本太赫兹研究中使用的实验系统示意图。
与产生太赫兹脉冲的其他方法相比，Huber 的方法有几个优点。首先，太赫兹脉冲是相干的，当聚焦到半导体或介电材料时能够产生高电场。此外，只需调节两个 OPA 之间的频率（波长）差异，即可轻松调节太赫兹脉冲的中心波长。此类脉冲使研究人员能够研究作为多个参数函数的效应：电场强度、太赫兹频率和 CEP 偏移。
需要一个强大的放大器
本研究中使用的激光系统的核心是钛蓝宝石放大器，选择它主要是因为它具有高脉冲能量、高重复频率（因此平均功率高）、卓越的光束质量和冷却简单性。我们现在研究为什么这些特性至关重要，以及 Legend Elite Duo 如何独特地提供这种优势组合。
Huber 团队成员 Olaf Schubert 博士表示：“高脉冲能量很重要，原因有二。首先，这会导致最高的太赫兹脉冲能量，从而在半导体样品中产生最高的瞬态场。同样重要的是，这种产生 CEP 稳定太赫兹脉冲的方法依赖于使用两个完全相位相关的 OPA。实现这种相关性的唯一直接方法是从单个放大器源驱动两个 OPA，该放大器源必须同时为两个 OPA 提供放大器驱动功率和单个白光种子脉冲。“当 Huber 太赫兹装置首次组装时，Legend Elite Duo 在所需 3 kHz 重复频率下的可用脉冲能量为 5 毫焦耳。*
在此类研究中，高重复频率允许在更短的时间内进行多参数实验，尽管这些实验需要所有非线性相互作用。Legend Elite 在由强大的 Evolution -HE（一种倍频 Nd:YLF 激光器，在 3kHz 下提供高达 15 mJ/脉冲）泵浦时，即使在 3 kHz 下也能提供高脉冲能量。
光束质量（即低 M2）和低噪声非常重要，因为 OPA 是非线性器件。事实上，其效率（以及输出功率）在很大程度上取决于泵浦激光器的光束质量。此外，太赫兹的产生，尤其是其高次谐波会受到泵浦光束振幅噪声的负面影响，因为它们是非线性过程，任何输入功率波动都会被放大。更好的光束质量和噪声可以显着提高数据的信噪比并减少数据采集时间。
图 2. 太赫兹驱动场的波形（蓝色实线）具有高斯包络（黑色虚线），半峰强度全宽为 109 fs，包含三个光周期。在 GaSe 传感器（厚度，40 µm）中用 8 fs 近红外门脉冲（中心波长，0.84 µm）以电光方式记录瞬态。
Coherent Legend 放大器旨在提供短期和长期一致的高光束质量和噪声，因此每个实验数据集不仅可以快速获取，而且可重复性很高。
电光检测 – 飞秒速度的太赫兹信号采样
如前所述，当聚焦到半导体（GaSe）样品时，强烈的太赫兹脉冲会产生在飞秒时间尺度上振荡的 100 MV/cm 电场。该场激发 GaSe 中的电子，并且可以通过“频闪”检测由这种振荡激发而重新发射的太赫兹辐射，以飞秒分辨率监测它们的动态。
这些太赫兹信号脉冲运用普克尔斯效应记录。在传统的普克尔斯盒中，高压电场被施加到 KD*P 等晶体上。这导致晶体旋转入射光辐射的偏振。添加交叉偏振器会产生有源光开关。在此处描述的研究中，太赫兹场取代了相对较慢的电场，引起瞬态双折射。太赫兹场振荡的快速传感通过检测超连续谱脉冲传输中的偏振偏移来执行，该超连续谱脉冲通过将部分 OPA 输出聚焦到 YAG 晶体中而生成，然后将这些光谱宽脉冲重新压缩到 8 fs 脉冲宽度 - 见图 1。（在一系列早期实验中，这些脉冲由光纤激光器产生 [2]。）
此外，时间平均信号通过配备 InGaAs 二极管阵列和硅 CCD 的色散单色仪映射到频域。与普克尔斯检测到的数据一起，该设置允许将发射光谱从太赫兹区域映射到远红外到可见光谱
电子学的影响 - 布洛赫振荡等。
Felix Bloch 在 85 年前预测，像这些 GaSe 样品这样的周期性固体中的高度加速电子将经历快速振荡，因为它们的有效波长将与晶格处于相同的尺寸范围内 [3]。（这类似于众所周知的较长波长下光子与周期性结构之间的干涉）。然而，由于电子的散射速度非常快，自然固体中的布洛赫振荡几乎不可能观察到 [4]。通过使用飞秒太赫兹脉冲，激发时间尺度变得与散射过程相当或更快，并且振荡电子在 0.1–675 太赫兹频率范围内发射可检测的电磁辐射。
用技术术语来说，当太赫兹激励脉冲快速切换外部电场时，电子会在价带和导带之间发生跃迁。由于光子能量低，这些在线性光学吸收中是不可能的。此外，所得发射的细节对激励脉冲的 CEP 偏移的变化非常敏感。
图 3. GaSe 样品中电子的振荡激发导致发射从 0.1 THz 到 675 THz 的扩展梯谐波。
马尔堡大学的 Stephan W. Koch 和 Mackillo Kira 团队与帕德博恩大学的 Torsten Meier 合作，通过开发完整的量子多体理论，成功分析了这种依赖性，远远超出了 Bloch 的开创性预测 [5]。简而言之，他们表明涉及三个不同的价带和两个导带。这种复杂的情况为价带和导带之间的激发提供了多种途径（见图 4）。他们表明观察到的 CEP 依赖性是不同途径之间干扰的结果。
图 4. 电子可以在 GaSe 中的五个不同带（三个价带和两个导带）之间移动，提供多种激发路径。
简而言之，这些独特的数据揭示了先前隐藏的与未来万亿次浮点时钟速率半导体器件相关的量子电子现象。具体来说，它们为了解单周期时间尺度上的高场电荷传输的新机制提供了第一个窗口。
光子学的影响 - 锁相高次谐波
从光子学的角度来看，GaSe 发出的辐射的性质同样有趣，并且具有广泛的重要性和实用性。首先，这种辐射涵盖了极其广泛的谐波范围，因此涵盖了频率范围。在信号强度自然衰减并超过光电探测器的波长范围之前，它从 <0.1 THz 的基频一直延伸到可见光到 675 THz 的 22 次谐波。
这种频率梳的两个方面使其成为在飞秒时间尺度上进行其他科学研究的有用且独特的工具。首先，它是一个非常长的谐波阶梯，其次，即使跨越了如此巨大的电磁频谱范围，所有谐波都是相干的，并且相位精确锁定。Huber 小组通过倍频（例如 6 次谐波）执行标准 f-2f 干涉测量比较，并检测该谐波与 12 次谐波之间的干扰，从而确认了这种 CEP 稳定性。这揭示了在完整的十分钟测量间隔内微弧度水平的 CEP 稳定性。
总结
为了支持集成半导体电路以更高的密度和更快的速度发展，必须探索半导体物理的新领域。高能且稳定的飞秒激光放大器提供独特的工具，通过泵浦太赫兹区域谐波生成等高度非线性过程来研究高场、高速固态物理。除了揭示这些条件下相干电子效应的新信息之外，一个重要的附带好处是在整个太赫兹到电磁频谱可见范围内生成飞秒持续时间的相位稳定谐波的扩展阶梯。反过来，这个阶梯可能会被证明是尖端光子实验的有用工具。