a & b) THz-Wellen koppeln stark an Phononen in Ionenkristallen, am Beispiel von Lithiumniobat, was zu einem bemerkenswerten Anstieg der Kerr-Nichtlinearität führt, die den Brechungsindex moduliert, was zu einer Frequenzverschiebung führt. c) Spektrum einer Singlemode-Mikrokavität bei verschiedenen Pumpleistungen. Kredit : Licht: Wissenschaft und Anwendungen (2024). DOI: 10.1038/s41377-024-01509-y
Terahertz (THz)-Wellen und THz-Technologien haben nach und nach den Weg für einen neuen Kommunikationsstil, Cloud-Speicher und -Computing, Informationswettbewerbe und medizinische Instrumente geebnet. Mit der Weiterentwicklung der THz-Technologien sind Studien zur nichtlinearen THz-Optik entstanden, die erhebliche Fortschritte in Physik und Technologie erzielt haben.
Studien zum THz-Kerr-Effekt (TKE) können ein solch faszinierendes Modell jedoch noch nicht stützen. In der Literatur sind die Ergebnisse der TKE bei komplexen Anwendungsfällen entweder schwach oder instabil.
In einem neuen Artikel veröffentlicht in Licht: Wissenschaft und Anwendungenein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Professor Qiang Wu, Yao Lu und Jingjun Xu vom Key Laboratory of Low-light Nonlinear Photonics, Bildungsministerium, TEDA Institute of Applied Physics and School of Physics, Nankai University, Tianjin, China, und Kollegen nutzten einen neuartigen Licht-Materie-Wechselwirkungsmechanismus über stimulierte Phononpolaritonen (SPhP) und demonstrierten Riesen-TKE in einer Lithiumniobat-Mikrokavität im Chip-Maßstab von Fabry-Pérot.
Unter dem Einfluss von Giant TKE führten leistungsabhängige Änderungen des Brechungsindex zu Frequenzverschiebungen von Resonanzmoden in einem Single-Mode-Mikrohohlraum, die experimentell gemessen und analysiert wurden.
Die durch SPhPs experimentell erhöhte nichtlineare optische Suszeptibilität dritter Ordnung war vier Größenordnungen höher als die der sichtbaren oder infraroten Frequenz, was mit den theoretischen Vorhersagen der nichtlinearen Huang-Gleichungen übereinstimmt. Darüber hinaus stimmen auch die durch Hybridmodulation (TKE und Kreuzmodulation) in der Multimode-Mikrokavität verursachten Frequenzverschiebungen gut mit theoretischen Vorhersagen überein.
Die berichteten Ergebnisse stellen eine innovative Plattform für eine Reihe praktischer photonischer THz-Geräte dar, die der Entwicklung der Hochgeschwindigkeits-THz-Kommunikation förderlich ist und auf vielseitige, stabile und kompakte photonische THz-Chips anwendbar ist.
Zukünftig könnte die Untersuchung von Superkontinuumsspektren möglicherweise auf den THz-Frequenzbereich ausgeweitet werden, was SPhP-verstärkten TKEs die Möglichkeit bieten könnte, ihr Potenzial bei der Erzeugung breitbandiger Terahertzwellen zu demonstrieren.
In ihrer Arbeit wird eine Fabry-Pérot-Mikrokavität auf einem 50 μm dicken X-geschnittenen MgO:LiNbO hergestellt3 Plattenwellenleiter (LN) mit direkter Femtosekunden-Laserschreibtechnik. THz-Wellen in der Mikrokavität werden durch Femtosekunden-Laserimpulse über nichtlineare Effekte erzeugt, deren Frequenz zwischen 0,2 und 1,2 THz liegt. Die Mikrokavität wurde ursprünglich im Einzelmodus konzipiert, wobei der Resonanzmodus bei 0,63 THz liegt.
Durch die Fokussierung der Pumpimpulse im Zentrum der Mikrokavität wird die Single-Mode-Mikrokavität angeregt. Seit der Existenz von TKE würde die effektive Resonanzfrequenz des Mikrohohlraums durch die eingegebene THz-Intensität beeinflusst, mit einer Frequenzverschiebung unabhängig von der Leistung.
Die Forscher untersuchten auch die „Hybridmodulation“ einer ähnlichen Dual-Mode-Mikrokavität mit Resonanzfrequenzen von 0,32 THz und 0,38 THz. Beide Ergebnisse deuten auf eine riesige TKE im Chip-Maßstab hin, die einen nichtlinearen Koeffizienten aufweist, der vier Größenordnungen größer ist als der im sichtbaren/infraroten Bereich.
„Die riesigen TKE-Ergebnisse, die im LN-Chip gemeldet wurden, zeigen, dass polare kristalline Materialien, insbesondere LN, auch ein überlegener Kandidat für die nichtlineare THz-Plattform sein können, mehr als nur ein außergewöhnliches Material für die Erzeugung und Detektion von THz.“
„Das durch SPhPs erweiterte TKE stellt eine innovative Plattform für eine Reihe praktischer THz-Photonik-Geräte dar, die der Entwicklung der Hochgeschwindigkeits-THz-Kommunikation sehr förderlich ist und auf vielseitige, stabile und kompakte THz-Photonik-Chips anwendbar ist“, fügten sie hinzu.
„In Zukunft könnte sich die Untersuchung von Superkontinuumsspektren möglicherweise auf den THz-Frequenzbereich ausweiten, was eine Gelegenheit für SPhP-verstärkte TKEs bieten könnte, ihr großes Potenzial bei der Erzeugung von Terahertzwellen im Breitbandbereich zu demonstrieren“, schreiben die Wissenschaftler.
Weitere Informationen:
Yibo Huang et al., Giant Kerr-Nichtlinearität von Terahertzwellen, vermittelt durch stimulierte Phononpolaritonen in einem Mikrokavitätschip, Licht: Wissenschaft und Anwendungen (2024). DOI: 10.1038/s41377-024-01509-y
Zur Verfügung gestellt von der Nankai University
Zitat:Wissenschaftler demonstrieren riesigen THz-Kerr-Effekt über stimulierte Phononenpolaritonen (2024, 2. September), abgerufen am 2. September 2024 von https://phys.org/news/2024-09-scientists-giant-thz-kerr-effect.html
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