Yüksek Harmonik Jenerasyon (HHG), yoğun bir lazer ışınının yüksek harmoniklerinin bir hedef malzemede, tipik olarak bir gazda üretildiği, doğrusal olmayan bir optik fenomendir. Fizikçiler on yıllardır HHG’yi atom gazlarında inceliyorlar. Ancak son zamanlarda; SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı’ndaki araştırmacılar ekibi, bu süreci katılarda araştırmaya başladılar.
Katı hedeflerin kullanılmasındaki avantajlardan biri; etkileşimdeki yüksek yoğunluk nedeniyle daha verimli üretimdir. İlk deney, 25. dereceye kadar harmoniklerin gözlemlenmesi ile bir çinko oksit kristali üzerinde yapıldı. O zamandan beri, HHG; bir magnezyum oksit kristal kuvars da dahil olmak üzere birçok dielektrikte başarıyla gözlendi.
Bunun en son örneklerinden biri Sandia Ulusal Laboratuvarları, Tsinghua Üniversitesi, SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı, New Mexico Üniversitesi ve North Carolina State Üniversitesi’ndeki bir araştırma ekibinin katıldığı işbirlikçi bir çabanın sonucudur. Nature Physics’te yayınlanan makalelerinde; malzemenin sıfıra yakın eps (ENZ)* etkisinden yararlanılarak elde edilen düşük kayıplı, indiyum katkılı kadmiyum oksit ince filmden kaynaklanan HHG’yi bildirdiler.
Araştırmacılar tarafından kullanılan film gibi ENZ malzemeleri; bazı dalga boylarında (frekansta) kaybolma geçirgenliğine sahip (yani sıfıra eşit) yeni bir malzeme sınıfıdır. Son çalışmalar; dalga boyu yayılım uzunlukları içerisinde ultra hızlı doğrusal olmayan verimler de sergilediklerini göstermektedir.
Bu malzemenin önceden belirlenmiş bir dalga boyunda sıfıra gitmesinin sonuçlarından biri, ENZ ince filmlerini doğru koşullar altında (örneğin, açı, polarizasyon) parlatırken; bu filmlerin içindeki optik alanların (10 ila 100X oranıyla) önemli ölçüde arttırılmasıdır. Bu, optik doğrusal olmayanlar gibi bu alanların yoğunluğuna dayanan herhangi bir olgunun büyük ölçüde arttırılması gerektiği anlamına gelir.
Brener ve Yang: “Daha önce bazı doğrusal olmayan optik deneyleri, (yani harmonik üretimi) diğer ENZ materyallerinde (ITO) yaptık ve bazı verimlilik artışlarına dair göstergeler gördük. Bu nedenle birkaç başka araştırma grubu da oluşturduk. Çok katkılı CdO; (ortak yazar Jon-Paul Maria tarafından yetiştirilen materyal) çok üstün bir ENZ malzemesidir. Bu materyalin önemli özelliği; daha düşük optik kayıplara ve daha yüksek optik alan artışlarına dönüşen daha yüksek elektron hareketliliğine sahip olmasıdır. Bu nedenle, bu filmlerde HHG’yi incelemek istedik.”
Son yıllarda, özellikle kompakt bir deney düzeneğinde; örneğin bu darbelerin bugün üretildiği büyük gaz tüplerini ve pahalı yüksek yoğunluklu lazer sistemlerinin yerine, attosaniye darbeleri üretmek için yeni yollar bulma konusunda artan bir ilgi vardır. Brener, Yang ve meslektaşları çalışmalarında; düşük kayıplı, indiyum katkılı kadmiyum oksit ince bir film kullanarak bu olasılığı daha da keşfetmeye başladılar.
Deneylerinde kullanılan örnek; ENZ dalga boyu olan eşdeğer 22um dalga boyunda yer alan plazma frekanslı, yüksek katkılı bir CdO ince (75 nm) filmden oluşur. Bu örnek; MgO üzerinde büyütülür ve “mükemmel absorpsiyon” olarak bilinen bir şeyi oluşturmak için tanıtılan bir metal üst tabakaya sahiptir.
Araştırmacılar; örneklerini eğik insidans ve p-polarizasyonda substrattan 2.08um’da kısa atımlarla aydınlattılar. Daha sonra standart UV-Vis spektrometreleri ve dedektörleri kullanılarak yansıtılan optik yol üzerinde üretilen harmonikleri ölçtüler.
Brener ve Yang: “Alt tabakanın emiliminden dolayı, bu yansıma yapılandırmasında sadece dokuzuncu harmoniği ölçebildik; bu ölçebildiğimiz en kısa dalga boyu… Gelecekte, üst altın tabakası olmayan örnekler iletim geometrisinde denenebildi, bu yüzden bu sorun hafifletilebildi.”
Araştırmacılar, araştırmalarında ENZ destekli harmoniklerin belirgin bir spektral kırmızıya kayma ve çizgi genişliği gösterdiğini gözlemledi. Bu, foto kaynaklı elektron ısıtmasının ve sonuçta kullandıkları malzemenin zamana bağlı ENZ dalga boyunun sonucuydu.
Bilim topluluğu, bu özel darbelerin üretilme potansiyelini geliştirebileceği için bu davranışı sergileyen materyallerle ilgilenmektedir. Tipik sistemlerde kullanılan gazın ince bir kadmiyum oksit filmi gibi katı bir malzemeyle değiştirilmesi; araştırmacıların doğadaki en hızlı olayların bazılarını daha kolay, daha ucuz ve muhtemelen daha ayrıntılı bir şekilde gözlemlemelerine olanak sağlayacaktır.
Katı hal malzemelerle yapılan diğer deneylerde toplanan gözlemlerle karşılaştırıldığında, araştırmacılar tarafından elde edilen harmonikler iki sıra büyüklüğünde pompa optik gücü gerektirmiştir. Bu nedenle, kullandıkları malzeme ve işlem, HHG ve attosaniye spektroskopisi için gereken donanımı büyük ölçüde basitleştirir.
Çalışmalarının bir başka ilginç bulgusu, optik doğrusal olmayanın, yüksek oranda katkılı CdO’da bulunan elektronlardan ve CdO’nun bant yapısının doğasından kaynaklandığıdır. ENZ dalga boyunda optik pompalamanın kombinasyonu ve HHG’ye yol açan doğrusal olmayan doğası, daha fazla iyileştirmeler için rehberlik sunarken, benzer davranış sergileyen diğer materyaller için araştırmayı da bilgilendirebilir.
Sandia’da çalışan ekibin üyeleri için bu araştırma; diğer yollarla devam etmeyi planladıkları doğrusal olmayan optiğe olan yoğun ilgiden kaynaklandı. Örneğin, Sandia; kadmiyum oksitten geçen ışığın, malzemenin içinde 10 kat daha parlak hale geldiği ilgili bir fenomeni keşfetmişti. Çalışmalarında, bu etkiyi sonunda optik iletişimi hızlandırmaya yardımcı olabilecek, yüksek karşıtlıkta bir optik anahtar oluşturmak için kullandılar.
*Epsilon-near-zero (epsilon sıfıra yakın)-ENZ: Derinin derinliğinden daha ince olan metalik filmler, dispersiyonu plazma frekansına yaklaşan yüzey plazmon modlarını destekleyerek epsilon-sıfıra yakın bir moda neden olur.
