白皮书
天博综合体育app下载研究受益于连贯的飞秒放大器功率
高脉冲能量和脉冲重复速率的组合稳定相干精英二人组可实现强烈的CEP稳定的天博综合体育app下载脉冲，这些脉冲可用于询问半导体中的高场电气行为。
简介
在雷根斯堡大学鲁珀特·休伯教授的实验室中，连贯的超快放大器模型传奇精英二人组用于生产cepstabilized 天博综合体育app下载脉冲。这些脉冲用于在接近100 mV/cm的瞬态天博综合体育app下载场的影响下探测GASE样品中电子的行为。通过在GASE检测器中具有8 fs脉冲的结果信号的电流“频镜”门控，数据得出有关BLOCH振荡以及相干和干扰导电机制的重要信息，仅在这些高场和短时间间隔揭示[1]。这些信息可用于相干电子的新生场和潜在的相干天博综合体育app下载速率电子计算。作为侧面益处，样品辐射的信号将显示出延长的高阶谐波“梯子”的形式，在紫外线中从<0.1 天博综合体育app下载覆盖到紫外线的675 天博综合体育app下载，全部以完全相位稳定性锁定，用于光子实验。高场振幅和高谐波CEP稳定的生成由传奇精英放大器的脉冲能量和稳定性实现。
固态电子产品中的新边界
微电子的功率和密度按照摩尔定律继续增加。多年来，与这个总体行业路线图保持同步的主要挑战是制造了较小的结构，将微观现场摄影远远超出了假定的衍射极限。但是，随着栅极线和其他特征仅缩小到仅数十纳米的缩小，固有的材料特性开始呈现出障碍。例如，见证越来越多的低电介质的使用。由于极高的电场和相干/量子现象的发作，新的挑战将包括其他影响，这是由于身体尺寸缩小而导致的。包括所谓的相干电子设备在内的集成电子设备的持续推进需要更深入地了解电子（和孔）在这些极端条件下的行为。
，因为在最新IC中，电场可能会瞬时超过1 mV/cm，因此固态物理学家想知道基本的电荷传输机制在如此巨大且更高的田地上如何变化。这是因为许多半导体材料的典型分解场约为1 mV/cm，如果应用较高的场，则失败（甚至燃烧）会迅速发生。一种使得更高领域可以安全地应用的解决方案是使用Ultrafast 天博综合体育app下载脉冲。
为什么要脉冲？
天博综合体育app下载辐射是夹在红外和微波区域之间的电磁光谱的一部分。由于众所周知，具有有用强度的天博综合体育app下载辐射很难通过常规（例如黑体）方法产生，因此只有在最近的基于激光的方法和巧妙的高速检测方案的发展中，这种辐射窗口才从好奇心转变为各种科学和商业应用中的重要工具。
，如下所述，使用超快激光器的频率混合技术可以使相干宽带天博综合体育app下载脉冲具有能量，其能量为高30微珠，并且脉搏持续时间为几十秒或更少。这些脉冲对于研究半导体很有用，因为当聚焦在样品中时，它们可以产生接近100 mV/cm的局部电场。由于天博综合体育app下载光子的能量是两个数量级或小于典型的半导体带隙的阶数，因此天博综合体育app下载高场可以用作准确的可调偏差。此外，尽管瞬时场强可能比许多半导体的典型的DC分解电压大两个数量级，但脉冲的简短（飞秒）持续时间（脉冲）意味着可以研究产生的高视野效应而不会实际发生材料崩溃的风险。。。
生成CEP稳定的相干天博综合体育app下载脉冲
在2008年，Huber组展示了一种生成天博综合体育app下载脉冲的方法，其中电场振荡与脉冲的载体信封之间的相位非常稳定且易于调节。这里概述的工作是这些CEP稳定的天博综合体育app下载脉冲首次使用，以研究半导体中的电荷传输，在这种情况下，硒化甲壳虫（GASE）。 （其他小组的先前研究检查了强烈的非CEP稳定天博综合体育app下载脉冲对半导体的影响。）预计调整CEP延迟的能力可能揭示迄今为止迄今有关传导途径的隐藏信息。
如图1所示，它们的设置心脏是连贯的传奇精英二人组二人组超快放大器，由脉冲相干演化激光泵送。放大器由钛播种：蓝宝石相干Vitara激光振荡器，该振荡器由低噪声连贯的Verdi激光泵送。放大器输出光束用于泵送两个可调的光学参数放大器（OPA）。当在合适的差异频率产生（DFG）晶体中组合时，对这两个OPA的信号波长进行调整以在其输出之间产生Terahertz频率差（例如30 天博综合体育app下载）。使用DFG技术可确保所产生的脉冲“被动” CEP稳定，但不需要Cepstabilized泵激光。
图1.本研究中使用的实验系统示意图。
与产生天博综合体育app下载脉冲的其他方法相比，Huber的方法具有多个优点。首先，天博综合体育app下载脉冲是相干的，当聚焦于半导体或介电材料中时，可以使高电场产生。同样，只需调整两个OPA之间的频率（波长）差，天博综合体育app下载脉冲的中心波长就很容易调节。这样的脉冲使研究人员能够与几个参数一起研究效果：电场强度，天博综合体育app下载频率和CEP偏移。
需要强大的放大器
本研究中使用的激光系统的心脏是钛：蓝宝石放大器，主要是为其高脉冲能量，高重复率（以及高平均功率），优质束质量和冷却简单性而选择的。现在，我们研究了这些特征为何至关重要，以及传奇精英二人如何独特地提供这种优势的组合。
根据Huber团队成员Olaf Schubert博士的说法，“高脉冲能量很重要，有两个原因。首先，这导致了最高的天博综合体育app下载脉冲能量，因此在半导体样本中最高的瞬态场。同样重要的是，这种方法与这种稳定的脉冲相关的方法同样重要，仅实现了这种稳定的脉冲，仅实现了该脉冲，而这是完全相对的。从单个放大器源中驱动两个OPA，该放大器源必须提供放大器驱动功率以及两种OPA的单个白光种子脉冲。”当首先组装Huber 天博综合体育app下载设置时，所需3 kHz的重复率的最高可用脉冲能量是传奇精英二人组的5毫男。*
在这类研究中，尽管这些实验所带来的所有非线性相互作用，但高重复率允许在较短的时间范围内执行多参数实验。传奇精英甚至在3 kHz时传递高脉冲能量，当通过强大的进化-He - 频率加倍的ND：YLF激光器时，最多可在3kHz处提供15 MJ/脉冲。
梁质量（即低M2）和低噪声很重要，因为OPA是非线性设备。实际上，它的效率（因此输出功率）在很大程度上取决于泵激光器的光束质量。此外，天博综合体育app下载的产生和 - 更高的 - 较高的谐波会受到泵束中振幅噪声的负面影响，因为它们是任何输入功率波动的非线性过程。更好的光束质量和噪声可以极大地改善数据的SNR并减少数据获取时间。
图2天博综合体育app下载驱动场的波形（蓝色，实心曲线）具有高斯信封（黑色虚线曲线），其强度全宽度为109 fs，其中包含三个光学循环。在GASE传感器（厚度为40 µm）中以8 fs的近红外栅极脉冲（中心波长为0.84 µm），将瞬态记录在GASE传感器（厚度为40 µm）中。
连贯的传奇放大器旨在提供短期和长期一致的远光质量和噪声，因此每个实验数据集不仅迅速获取，而且也非常可重复。
电声检测 - 飞秒速度的天博综合体育app下载信号采样
如前所述，当将重点放入半导体（GASE）样品中时，强烈的天博综合体育app下载脉冲会在飞秒时间尺度上产生100 mV/cm的电场。该场在GASE中激发了电子及其动力学，可以通过飞秒分辨率来监测其动力学，从而“频镜”检测由于这种振动激发而重新发射的天博综合体育app下载辐射。。
使用Pockels效应记录这些天博综合体育app下载信号脉冲。在常规的pockels电池中，将高压电场应用于Kd*p之类的晶体。这会导致晶体旋转传入光辐射的极化。添加交叉极化器会导致主动光学开关。在此处描述的研究中，天博综合体育app下载场取代了相对较慢的电场，引起了短暂的双折射。通过检测通过将OPA输出的一部分聚焦于YAG晶体而产生的超脑脉冲传播的极化转移，然后将这些频谱宽的脉冲重新压缩到8 fs脉搏方面，从而实现了天博综合体育app下载场振荡的快速感测。
另外，通过配备有Ingaas二极管阵列和硅CCD的分散单色仪，将时间平均信号映射在频域中。与Pockels检测的数据一起，此设置允许从Terahertz制度通过远征到可见的光谱绘制发射光谱
电子设备含义 - Bloch振荡等等。
Felix Bloch在85年前预测，在像这些GASE样品的周期性固体中，高加速的电子将经历快速振荡，因为它们的有效波长与晶体晶格的尺寸相同[3]。 （这类似于较长波长的光子和周期结构之间的众所周知的干扰）。但是，由于电子的散射非常快，几乎无法观察天然固体中的Bloch振荡[4]。通过使用飞秒天博综合体育app下载脉冲，激发时间尺度比散射过程变得可比或更快，并且振荡电子在整个频率范围内发出可检测到的电磁辐射。
在技术术语中 - - 随着天博综合体育app下载激发脉冲迅速切换外部电场，电子在价和传导带之间进行过渡。由于光子能量较低，因此在线性光吸收中不可能使用这些。此外，所得排放的细节对于令人兴奋的脉冲的CEP偏移的变化非常敏感。
图3.GASE样本中电子的振荡激发导致谐波从0.1 天博综合体育app下载延伸到675 天博综合体育app下载的扩展梯子发射。
马尔伯格大学的斯蒂芬·W·科赫（Stephan W.简而言之，他们表明涉及三个不同的价带和两个传导带。这种复杂的情况为价值和传统带之间的激发提供了多种途径（见图4）。他们表明，观察到的CEP依赖性是不同途径之间干扰的结果。
图4.电子可以在Gase中的五个不同频段之间移动 - 三个价带和两个传导带 - 提供多个激发途径。
用简化的术语，这些独特的数据揭示了以前隐藏的量子电子现象与以teraflop时钟速率相关的未来半导体设备相关。具体而言，它们为单个光周期的时间尺度上的高视野电荷传输提供了新的窗口。
光子学含义 - 相锁的高谐波
从光子角度来看，GASE发出的辐射的性质同样有趣，并且可能具有广泛的重要性和实用性。首先，这种辐射涵盖了广泛的谐波和频率。在信号强度自然衰减之前，这一直从<0.1 天博综合体育app下载的基本频率一直延伸到675 天博综合体育app下载的22谐波，并且超过了光电探测器的波长范围。。
这种频率梳理的两个方面使其本身就是有用且独特的工具，可以在飞秒时间表上执行其他科学。首先，它是一个非常长的谐波梯子，其次，所有的谐波都是连贯的，并且在相位上精确地锁定，即使它们跨越了如此巨大的电磁谱。 Huber的小组通过通过频率加倍（例如第六个谐波，并检测到这与第12个谐波之间的干扰。这揭示了在完整的十分钟的测量区间，在Microdoradian级别的CEP稳定性。
摘要
为了支持较高密度和更快速度的集成半导体电路的开发，必须探索半导体物理学的新边界。能量和稳定的飞秒激光放大器通过泵送高度非线性工艺（如天博综合体育app下载区域谐波生成）提供了独特的工具来研究高原，高速固态物理。除了在这些条件下揭示有关相干电子效应的新信息外，重要的侧面好处是，通过电磁频谱的可见范围，在整个天博综合体育app下载中生成了延长的飞秒持续时间的相稳定谐波。反过来，该梯子可能被证明是尖端光子实验的有用工具。