激光脉冲在非晶介电材料中产生非线性效应

一种新的全光学技术，可以在通常不支持非线性效应的材料上产生稳健的二阶非线性效应可能会为光学计算机、高速数据处理器和光学器件提供新的选择。 生物成像、 佐治亚理工学院（Georgia Tech）的一个研究小组开发了这项技术，使用红色激光产生非线性效应。研究人员在他们的实验室中，在一个中心对称的二氧化钛（TiO2）平板的表面上创建了一个微小的等离子体金三角形阵列。他们用红色激光脉冲照亮了TiO2 金结构。激光束充当光开关，破坏了材料的晶体对称性。当向TiO2平板上的金三角阵列发射激光脉冲时，它激发电子，并且当第二个激光束从非晶TiO2平板上反弹时，这种激发使来自第二个激光束的频率短暂增加一倍。

佐治亚理工学院的研究人员Kyu-Tae Lee和Mohammad Taghinejad演示了使用红色激光在二氧化钛板上产生的倍频，以产生带有微小金三角形的非线性效应。蓝光束代表倍频光，绿光束控制热电子迁移。

蔡文山教授说：“光开关激发金三角内部的高能电子，并且一些电子从三角的尖端迁移到二氧化钛。”“由于电子向TiO2平板的迁移主要发生在三角形的尖端，因此电子迁移在空间上是一个不对称过程，以光学方式短暂地破坏了二氧化钛晶体的对称性。”该团队几乎在触发红色激光脉冲后立即观察到了诱导的对称破坏效果。“现在我们可以在光学上打破传统线性材料（例如非晶态二氧化钛）的晶体对称性，在诸如高速光学数据处理器之类的微米和纳米技术的主流应用中可以采用更广泛的光学材料。”

诱导的二阶非线性的寿命取决于脉冲消失后电子从TiO2迁移回金三角形的速度。在佐治亚理工学院团队报告的实验中，感应的非线性效应持续了几皮秒，研究人员说，对于大多数使用短脉冲的应用来说，这种效应足够长。只要打开激光器，稳定的连续波激光就可以使非线性效应持续存在。蔡说：“感应非线性响应的强度很大程度上取决于可以从金三角形迁移到二氧化钛平板的电子数量。”“我们可以通过红色激光的强度来控制迁移电子的数量。增加光开关的强度会在金三角形内部产生更多的电子，从而将更多的电子发送到TiO2平板中。”

该图显示了通过热电子转移破坏反演对称性的过程。 由佐治亚理工学院提供。

该团队的概念验证还需要进一步的研究，该研究表明，中心对称材料的晶体对称性可以通过光学手段，通过不对称电子迁移而破坏。“我们仍然需要制定准则，告诉我们应该使用金属/半导体材料平台的哪种组合，哪种形状和尺寸可以最大程度地增强诱导的二阶非线性效应的强度，以及应该使用哪种激光波长范围切换光，”蔡说。倍频是新技术的一种潜在应用。“我们相信我们的发现不仅为非线性纳米光子学领域提供了各种机会，而且还将在量子电子隧穿领域发挥重要作用，”蔡说。 “实际上，我们在此领域积累的知识基础上，正在设计新的范例，以采用引入的对称破坏技术作为光学探针来监视混合材料平台中电子的量子隧穿。如今，只有通过扫描隧道显微镜（STM）技术才有可能实现这一具有挑战性的目标，该技术非常慢并且显示出较低的产率和灵敏度。”