Ученые из ИТМО, Австралийского национального университета и Университета имени Фридриха Шиллера в Йене показали, как происходит генерация гармоник высокого порядка в диэлектрических метаповерхностях, созданных на основе кремния. Результаты исследования помогут в создании аттосекундных источников излучения, которые сделаны из полупроводниковых наноструктур, и дают возможность для новых открытий в физике сверхбыстрых процессов.

Высокие гармоники – оптическое излучение, частоты которого кратны частотам возбуждающего лазера. При максимальном уровне гармоники частота излучения может быть в 100 раз больше частоты накачки.

Ученые добились эффективного нелинейного преобразования света накачки в излучение высоких гармоник с помощью взаимодействия сверхмощных и сверхкороткоимпульсных лазеров с инертными газами. Гармоники отличаются длительностью времени излучения, которая доходит до аттосекунд.

Аттосекундные источники применяют при определении сверхбыстрых процессов. Технологии на основе инертных газов требуют высокого вакуума и больших резервуаров для газа. Это довольно непростые условия, поэтому ученые изучали, возможна ли генерация высоких гармоник в резонансных кремниевых наноструктурах – метаповерхностях. Метаповерхности могут задерживать энергии внутри себя и не выпускать ее в окружающую среду. Исследование выявило новые явления при нарушении плоскостной симметрии в метаповерхностях.

«У нас был набор оптимизированных метаповерхностей, и мы начали изучать процесс генерации кратных гармоник (для начала 3-й и 5-ой) на лазерной системе, которая была в распоряжении в Австралии. Длительность импульса в несколько пикосекунд не позволяла добиться генерации гармоник более высокого порядка, чем 5-ый, однако мы обратили внимание, что некоторые метаповерхности демонстрировали эффективность генерации нелинейного излучения на два порядка выше по сравнению с другими структурами. Этот эффект достигался за счет оптимизации геометрии метаповерхности: размеров метаатомов и периода их расположения на подложке относительно друг друга», — рассказал первый автор статьи, младший научный сотрудник физического факультета ИТМО Георгий Зограф.

Также ученые обнаружили, что более мощные и сверхкороткоимпульсные лазеры, обладающие длительностью импульса около 100 фемтосекунд, создают генерацию высоких гармоник на кремниевых метаповерхностях до 11-ой. А разница между резонансными и нерезонансными метаповерхностями пропала.

На основе этого исследователи сделали вывод, что чем более мощный и менее длительный лазерный импульс при взаимодействии с наноструктурой, тем менее важна резонансная природа этой структуры и высокодобротные состояния. Такой эффект ученые объяснили тем, что при облучении сверхмощным и сверхкороткоимпульсным лазером в метаповерхности генерируется электрон-дырочная плазма. Т.е. возникают свободные электроны, увеличивается нагрев, ухудшаются резонирующие свойства, но это не мешает генерации высоких гармоник.

По словам ученых, для сверхкороткоимпульсных и сверхмощных систем важнее материал, из которого состоит метаповерхность, чем ее структура. Материал должен быть кристалличным, с высокой лучевой стойкостью и низкими оптическими потерями.