Nanostrukturer muliggør generering af rekordhøj harmonisk

Cornell-forskere har udviklet nanostrukturer, der muliggør rekordstor konvertering af laserimpulser til højharmonisk generering, bane vejen for nye videnskabelige værktøjer til højopløsningsbilleddannelse og undersøgelse af fysiske processer, der finder sted på et attosekunds skala.

Højharmonisk generering har længe været brugt til at fusionere fotoner fra en pulserende laser til én, ultrakort foton med meget højere energi, producerer ekstremt ultraviolet lys og røntgenstråler, der bruges til en række videnskabelige formål. Traditionelt set gasser er blevet brugt som kilder til harmoniske, men et forskerhold ledet af Gennady Shvets, professor i anvendt og teknisk fysik på College of Engineering, har vist, at konstruerede nanostrukturer har en lys fremtid for denne applikation.

Forskningen er beskrevet detaljeret i papiret "Generation af lige og ulige høje harmoniske i resonante metasurfaces ved hjælp af enkelt og flere ultra-intense laserpulser, " udgivet 7. juli i Naturkommunikation . Maxim Shcherbakov, som udførte forskningen som Cornell postdoc, før han blev adjunkt ved University of California, Irvine, er hovedforfatter.

De nanostrukturer, der er skabt af teamet, udgør en ultratynd resonant galliumphosphidmetasoverflade, der overvinder mange af de sædvanlige problemer, der er forbundet med højharmonisk generation i gasser og andre faste stoffer. Gallium-phosphid-materialet tillader harmoniske af alle rækkefølger uden at reabsorbere dem, og den specialiserede struktur kan interagere med laserpulsens hele lysspektrum.

"Ved at opnå denne påkrævede konstruktion af metasoverfladens struktur ved hjælp af fuldbølgesimuleringer, " sagde Shcherbakov. "Vi udvalgte omhyggeligt parametrene for gallium-phosphid-partiklerne for at opfylde denne betingelse, og så krævede det en tilpasset nanofremstillingsflow for at bringe det frem i lyset."

Resultatet er nanostrukturer, der er i stand til at generere både lige og ulige harmoniske - en begrænsning af de fleste andre harmoniske materialer - der dækker en bred vifte af fotonenergier mellem 1,3 og 3 elektronvolt. Den rekordslående konverteringseffektivitet gør det muligt for forskere at observere molekylær og elektronisk dynamik i et materiale med kun et laserskud, hjælper med at bevare prøver, der ellers kan blive nedbrudt af flere kraftige skud.

Undersøgelsen er den første til at observere højharmonisk genereret stråling fra en enkelt laserpuls, hvilket gjorde det muligt for metasfladen at modstå høje kræfter - fem til 10 gange højere end tidligere vist i andre metasurfacer.

"Det åbner op for nye muligheder for at studere stof på ultrahøje felter, et regime, der ikke var let tilgængeligt før, " sagde Shcherbakov. "Med vores metode, vi forestiller os, at folk kan studere materialer ud over metasflader, inklusive men ikke begrænset til krystaller, 2D materialer, enkelte atomer, kunstige atomgitre og andre kvantesystemer."

Nu hvor forskerholdet har demonstreret fordelene ved at bruge nanostrukturer til højharmonisk generering, det håber at forbedre højharmoniske enheder og faciliteter ved at stable nanostrukturerne sammen for at erstatte en solid state-kilde, såsom krystaller.