摘要
超强超短激光技术的不断发展给太赫兹特别是强太赫兹的相关科学研究带来了新的机遇。早在上世纪80年代，人们开始注意到太赫兹(0.1～10THz)这一特殊频段的电磁波的独特性质，譬如安全性高，穿透力强，光谱分辨能力好。随着太赫兹场强的不断提高，人们将越来越多的目光聚焦在使用强太赫兹场(电场强度大于1MV/cm)进行物态调控这一新兴的研究领域。利用强太赫兹场不仅可以激发超导、相变等过程，还可以调控固体能带结构，改变分子的振动和转动模式，甚至与自由电子直接作用驱动电子加速过程。 硅作为重要的半导体材料被广泛应用于现代工业和信息产业的各个领域，硅基器件可以使信息处理速度超过100Gbit/s，硅基传感器可以实现高灵敏度和宽带电光调制。硅材料容易获得，成本低廉，且与CMOS产业高度兼容，有利于在单个芯片上实现光电功能结合。然而，由于硅晶体的中心对称结构，导致其缺乏偶数阶电光效应，这在一定程度上限制了它在光电领域更为广泛的应用。太赫兹作为物质调控研究的新型驱动光源，利用强场太赫兹可以实现材料结构对称性的超快调控。本论文工作围绕强场太赫兹驱动硅的对称性超快调控过程展开，主要包括强太赫兹的产生、强场太赫兹驱动下硅晶体中超快动力学的研究。具体内容如下: 1.强场太赫兹的产生。基于光整流(OpticalRectification)原理，利用中心波长为1.45μm的中红外光源泵浦有机晶体DSTMS(4-N，N-dimethylamino-4''-N''methyl-stilbazolium2，4，6-trimethylbenzenesulfonate)，技得高能单周期太赫兹脉冲。太赫兹诊断方面，在探测光中引入线性啁啾，通过直接测量探测光谱记录太赫兹电场在时域上对电光晶体折射率的调制，得到太赫兹时域电场。区别于传统的时间扫描式电光采样(Electro-OpticSampling)技术，该方法实现了对太赫兹电场的单发测量，为太赫兹电场的实时分析提供了有效途径。 2.强场太赫兹驱动硅晶体超快对称性调控。利用强太赫兹波照射单晶硅，同时探测红外光的谐波谱。当二者时间同步时，观测到红外光的二次谐波和四次谐波产生。该研究实现了硅晶体对称性的超快无损调控，并系统分析了太赫兹电场和硅的晶向对偶次谐波的影响。研究表明，强太赫兹电场破坏了硅晶体的中心对称性，诱导产生偶数阶电极化，进而在红外光的激发下产生偶次谐波。由于强场太赫兹的周期在皮秒量级，这种对称性调控发生在皮秒时间尺度，且无损可逆。该研究对理解太赫兹频段半导体材料的超快动力学过程以及它们在光电集成中的相关应用具有重要意义，也为强太赫兹驱动下的物态调控研究拓宽了思路。 3.激光在有机晶体中的光谱展宽和相位演化。利用中红外光激光脉冲驱动有机晶体可以产生强太赫兹辐射，与此同时，由于有机晶体具有很高的非线性系数，红外激光脉冲光谱被展宽，且相位收到非线性调制。经过色散补偿后，红外激光的脉宽达到周期最级，且与太赫兹天然同步。这一研究为强太赫兹泵浦，宽带/少周期中红外激光探测实验奠定了基础。此外，我们在研究中发现，涡旋激光经过有机晶体后，阶次发生调制，其程度与晶体角度、入射光偏振和传播距离有关。
NETL