本文报道了接近于零的ε材料中高次谐波的产生

高次谐波产生(HHG)是一种非线性光学现象，通过它在目标材料(通常是气体)中产生强激光束的高次谐波。几十年来，物理学家一直在研究原子气体中的HHG，但最近，来自SLAC国家加速器实验室的一组研究人员开始研究固体中的这一过程。

由于高密度的相互作用，使用固体靶的优点之一是更有效的产生。第一次实验是在氧化锌晶体上进行的，观测到的谐波高达25阶。从那时起，HHG已经成功地观察到几种电介质，包括氧化镁晶体应时。

最新的一个例子来自桑迪亚国家实验室、清华大学、SLAC国家加速器实验室、新墨西哥大学和北卡罗来纳州立大学的研究团队的共同努力。他们在发表于《自然物理》的论文中报道，HHG是由低损耗的铟掺杂氧化镉薄膜产生的，这是利用材料的-近零(ENZ)效应获得的。

“这项研究的历史可以追溯到我们在-接近于零的材料和现象方面的广泛活动，”这项研究的两名研究人员伊加尔布伦纳和杨通过电子邮件告诉。

ENZ材料，如研究人员使用的薄膜，是一类新的材料，其介电常数在某些波长(即频率)消失(即等于零)。最近的研究表明，它们在亚波长传播长度上也表现出超快的非线性效率。

这些材料的介电常数在预定波长下变为零的后果之一是，当在正确的条件(即角度和偏振)下照射ENZ薄膜时，这些薄膜内部的光场显著增强(比率为10至100倍)。这意味着，任何依赖于这些场强度的现象，如光学非线性，都应该大大增强。

“我们之前在其他ENZ材料(ITO)中做过一些非线性光学实验(即谐波产生)，看到了一些效率提升的迹象；其他几个研究小组也是如此，”布伦纳和杨说。“高掺杂CdO(由合著者Jon-Paul Maria生长的材料)是一种非常优越的ENZ材料(更高的电子迁移率，这转化为更低的光损耗和更高的光场增强)。因此，我们想在这些电影中研究HHG。”

近年来，人们越来越重视寻找一种产生阿秒脉冲的新方法，特别是在紧凑的实验装置中，即通过替换现在产生这些脉冲的大空气管和昂贵的高强度激光系统。在他们的研究中，Brener，Yang和他们的同事开始使用低损耗的铟掺杂氧化镉薄膜来进一步探索这种可能性。

他们实验中使用的样品由一层薄的(75纳米)高掺杂CdO薄膜组成，其等离子体频率等于2um波长，即ENZ波长。样品生长在氧化镁上，并引入金属顶层以产生所谓的“完美吸收”。

研究人员在斜入射和P偏振条件下，用距基底2.08um的短脉冲照射样品。然后，他们使用标准的紫外-可见光谱仪和探测器来测量反射光路上产生的谐波。

“由于衬底的吸收，在这种反射配置下，我们只能测量九次谐波；这是我们能测量到的最短波长，”布伦纳和杨解释道。“未来，没有金顶层的样品可以在透射几何中尝试，这样这个问题就可以得到缓解。

在他们的研究中，研究人员观察到ENZ辅助谐波显示出明显的光谱红移和线宽展宽。这是光诱导电子加热和随后使用的材料的时间相关ENZ波长的结果。

第二个科学界对显示这种行为的材料感兴趣，因为它可能会改善这些特殊脉冲的产生方式。使用固体材料(如氧化镉薄膜)代替典型系统中使用的气体，研究人员可以更容易、更便宜、可能更详细地观察自然界中一些最快的事件。

与使用固体材料的其他实验中收集的观察结果相比，研究人员获得的谐波要求泵浦光功率降低大约两个数量级。因此，他们使用的材料和工艺大大简化了HHG和阿秒光谱学所需的硬件。

他们研究的另一个有趣的发现是，光学非线性是由高掺杂CdO中电子的存在和CdO能带结构的性质引起的。ENZ波长的光抽运和HHG的非线性特性的结合可以为进一步的改进提供指导，也可以为寻找其他具有类似行为的材料提供信息。

至于在桑迪亚工作的合作成员，这项研究源于他们对非线性光学的广泛兴趣，他们计划以其他方式继续研究。例如，Sandia探索了一个相关的现象，即穿过氧化镉的光会使材料变亮10倍以上。在他们的工作中，他们利用这种效应构造了一种高对比度的光开关，最终可以帮助加速光通信。

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