中红外光学示波器

现有的硅图像传感器采用隧道电离作为时间门，可以在一次发射中直接记录几个周期的中红外光学波形。

激光发射的光波形的完整表征需要获取有关电场幅度和相位的信息。然而，在许多超快激光技术的情况下，激光信号被视为一个简单的脉冲，只不过是一个确定持续时间的能量爆发。然而这种解释忽略了振荡场的相位，而只关注其幅度的包络。

近年来，针对少周期激光脉冲相位信息和相位控制的了解，对亚周期时间尺度上控制物质尤为重要，这有益于阿秒科学和分子动力学的广泛应用。然而，由于缺乏合适的技术，在某些波长范围内的对光相位的严格测量可能会出现问题。

主要挑战是要拍摄时间振荡电磁波的快照，需要使用快门或闸门，它的速度要快于波的预期时间变化。在光学方面，成熟的飞秒激光技术早已为振荡场提供了成熟的解决方案。例如，皮秒时间尺度上的远红外场振荡可以通过采用电光采样技术的标准近红外飞秒激光器进行采样。

门控检测要求门控脉冲持续时间短于信号脉冲的一半。由于栅极持续时间需要变得越来越短，因此将这种方法扩展到更短的波长（例如中红外及以下）具有一定的挑战性。例如，对 6 μm 波长范围内的中红外脉冲进行采样需要一个小于 10 fs 的栅极。随着脉冲的波长变得更短，需要高度先进的实验设置来获得亚周期时间门。此类技术涉及阿秒 X 射线脉冲或子周期电子轨迹 ，非常复杂且难以实施。

现在，在 Nature Photonics 上，Liu 及其同事使用半导体中的光诱导电子波包作为超快子周期采样门，克服了上述障碍。这种方法可以演示一种光学示波器，该示波器能够使用简单的硅基图像传感器在单次拍摄中表征相位稳定的中红外光学波形的载波包络。

图1，CMOS传感器上的单次激发测量方案。扰动脉冲的调制波形可以通过减去仅基波信号获得，然后进行归一化过程消除基波光束轮廓空间变化的影响。

他们的单次检测概念依赖于几个过程。首先，创建一个超快电离门。其次，控制门的相位，测量光信号波形的绝对相位。第三，将脉冲场的时间变化映射到 CMOS 探测器阵列上的空间变化。

为了足够快地创建时间门，他们采用了一种称为 TIPTOE（电场时域观测的微扰隧道电离）的实验方案。 TIPTOE 依赖于隧穿电离，这是量子力学中的一种基本现象，其中原子中的电子穿过从原子中逸出的势垒。 TIPTOE 最初是使用气体作为介质开发的，仅限于使用高能脉冲表征。这是因为空气中的隧道电离需要非常高强度的脉冲，在近红外到中红外约为 10-100 TW cm-2。

现在，在这项最新工作中，Liu 及其同事通过扩展 TIPTOE 与固态介质（硅图像传感器）一起工作，成功地克服了气体电离的高强度要求。特别是，他们使用强烈的 3.5 μm 的强中红外（基本）脉冲在传统的硅基 CMOS 探测器中产生电荷包的非线性激发。产生电荷的脉冲的强度约为 10 GW cm-2，明显低于气体介质中所需的强度。

电荷包作为一种受激介质，很容易受到微弱振荡扰动脉冲的扰动。这种扰动脉冲不能自行产生电荷包，但沿 CMOS 像素阵列产生的电荷调制会在空间上被记录下来。由于基波和微扰光束使用柱面镜叠加在 CMOS 检测器上，每个 CMOS 像素的信号时间延迟在拉伸方向上线性增加。因此，CMOS传感器中电荷分布的空间调制可以转换为时间调制信息。

在量子动力学中，潜在的电子动力学可以简单地描述为概率波函数。当原子暴露于强场（基本）脉冲时，原子势会发生变形，部分波函数会穿过库仑势垒。这导致子周期电荷包的产生。在存在扰动信号脉冲的情况下，概率函数被调制，以反映信号波形的时间波形。

TIPTOE对信号脉冲的电场波形非常敏感，因此能够测量绝对载波包络相位（CEP）和Gouy相位，以及具有复杂偏振态的脉冲。虽然检测到的空间调制提供脉冲测量，但它不一定反映真实的波形测量。这是因为光电流扰动的 CEP 代表扰动信号脉冲和电荷产生基波脉冲之间的相对 CEP。为了克服这一限制，该团队将基本脉冲的 CEP 设置为零，以便扰动真正反映扰动脉冲的 CEP。这类似于在电子示波器中使用参考信号（触发器），该团队只是使用参考信号来测量电离脉冲的 CEP 并进行相应调整。使用这种方法，他们成功测量了 波长为3.5 μm 的24 fs、2.1 个周期的光场。

值得注意的是，所提出的技术代表了一种通用检测方法，该方法可能适用于更宽信号波长范围内的多光子和隧道激发。虽然类似的硅图像检测器可以直接用于检测更长的波长，但需要使用更大带隙材料的不同检测器技术将这种技术扩展到可见光谱。

Liu 及其同事采用的方法有许多优点：它不受相位匹配需求的限制，而是基于成本效益高的技术，即一种廉价的硅基光电探测器。这两个优点与现有的各种材料检测器技术相结合，将使该技术应用于更广泛的信号波长范围。此外，该技术仅需要低脉冲能量并提供单次片上检测。这在访问光谱范围时尤其重要，因为新出现的光源可能只有较低的脉冲能量或具有较高的脉冲间波动。