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THz-Forschungprofitiert von der Leistung des Femtosekunden-Verstärkers von 바카라 카지노
Durch die Kombination von hoher Pulsenergie und Pulswiederholrate eines stablen 바카라 카지노 Elite Duo werden tensive CEP-stabile THz-Pulse ermöglicht, die zur Untersuchung des Verhaltens von Hochfeldelektronen in Halbleitern verwendet werden.
Einleitung
저는 Rupert Huber an der Universität Regensburg wird ein 바카라 카지노 Ultrafast Verstärker, Modell Legend Elite Duo, zur Erzeugung von CEP-stabilisierten THz-Pulsen verwendet의 교수입니다. Diese Impulse werden verwendet, um das Verhalten von Elektronen in GaSe-Proben unter dem Einfluss Transienter THz-Felder von annähernd 100 MV/cm zu untersuchen. Durch elektrooptisches "stroboskopisches" Gating des resultierenden Signals mit einem 8-fs-Impuls in einem GaSe-Detektor liefern die Daten wichtige Informationen über Bloch-Oszillationen sowie kohärente und interferierende Leitungsmechanismen, die nur bei diesen hohen Feldern und kurzen Zeitintervallen sichtbar werden [1 ]. Diese Informationen können im aufstrebenden Bereich der kohärenten Elektronik und potenziell kohärenten elektronischen Computing mit THz-Rate verwendet werden. Als Nebeneffekt wird gezeigt, dass das von der Probe abgestrahlte Signal die Form einer ausgedehnten "Leiter" von Oberwellen hoher Ordnung annimmt, die eindeutig von <0,1 THz im fernen Infrarot bis zu 675 THz im Ultraviolett reicht und mit vollständiger Phasenstabilität für den Einsatz in photonischen Experimenten gesperrt ist. Die hohe Feldammplitude und die hochharmonische, stable CEP-Erzeugung werden durch die Pulsenergie und die Stabilität des Legend Elite Verstärkers ermöglicht.
Festkörperelektronik의 Neue Grenzen
Die Leistung und Dichte der Mikroelektronik nimmt gemäß dem Mooreschen Gesetz scheinbar unaufhaltsam zu. Die größte Herausforderung, um mit dieser übergreifenden Branchen-Roadmap Schritt zu Halten, bestand viele Jahre lang in der Herstellung immer kleinerer Strukturen, wodurch die Mikrolithographie weit über die angenommene Beugungsgrenze hinaus vorangetrieben wurde. Wenn jedoch die Gate-Linien und andere Merkmale auf einige zehn Nanometer geschrumpft werden, Beginnen die inhärenten Materialeigenschaften Hürden darzustellen, wie z. B. die zunehmende Verwendung von Dielektrika mit niedrigem . Zu den neuen Herausforderungen gehören andere Effekte aufgrund der extrem hohen elektrischen Felder und das Auftreten von Kohärenz-/Quantenphänomenen, die sich aus der Schrumpfung derphykalischen Dimensionen ergeben. Der kontinuierliche Fortschritt der integrierten Elektronik, einschließlich der sogenannten kohärenten Elektronik, erfordert ein Tieferes Verständnis dafür, wie sich Elektronen (und Löcher) unter diesen Extremen Bedingungen verhalten.
Da beispielsweise elektrische Felder in den neuesten ICs vorübergehend 1 MV/cm überschreiten können, möchten Festkörperphysiker wissen, wie grundlegende Ladungstransportmechanismen bei Feldern dieser Größenordnung und höher 다양한. Dies liegt daran, dass typische Durchschlagsfelder für viele Halbleitermaterialien etwa 1 MV/cm betragen und es bei Anwendung höherer Felder schnell zu Ausfällen (sogar zu Verbrennungen) kommt. Eine Lösung, die es ermöglicht, noch höhere Felder für einige Femtosekunden sicher anzulegen, ist der Einsatz Ultrafast-THz-Pulse.
와룸 THz-펄스?
THz-Strahlung ist der Teil des elektromagnetischen Spektrums, der zwischen dem Infrarot- und dem Mikrowellenbereich liegt. Da es bekanntermaßen schwierig ist, THz-Strahlung mit nützlicher Intensität mit herkömmlichen Methoden(z. B. Schwarzkörperverfahren) zu erzeugen, ist dieses Strahlungsfenster erst mit der jüngsten Entwicklung laserbasierter Methoden und Cleverer Hochgeschwindigkeitserkennungssysteme von einer Kuriosität zu einem wichtigen geworden Werkzeug in verschiedenen wissenschaftlichen und kommerziellen Anwendungen.
Wie hier beschrieben, ermöglichen Frequenzmischtechniken mit Ultrafast Lasern die Erzeugung kohärenter breitbandiger THz-Pulse mit Energien von bis zu 30 Mikrojoule und Pulsdauern von einigen zehn Femtosekunden oder weniger. Diese Impulse sind für die Untersuchung von Halbleitern nützlich, da sie, wenn sie in eine Probe fokussiert werden, lokale elektrische Felder von annähernd 100 MV/cm erzeugen können. Da die Energie eines THz-Photons zwei Größenordnungen oder weniger als die typische Halbleiterbandlücke beträgt, können hohe THz-Felder als präzise einstellbare Vorspannung dienen. Darüber hinaus kann die momentane Feldstärke zwar zwei Größenordnungen größer sein als die typische DC-Durchbruchspannung für viele Halbleiter, doch die kurze Dauer (Femtosekunde) der Impulse bedeutet, dass daraus resultierende Hochfeldeffekte untersucht werden können, ohne dass tatsächlich das Risiko eines Materialdurchschlags besteht auftreten.
Erzeugung CEP-stabilisierter kohärenter THz-Impulse
Im Jahr 2008 Demonstrierte die Huber-Gruppe eine Methode zur Erzeugung von THz-Pulsen, bei der die Phase zwischen den Schwingungen des elektrischen Feldes und der Trägerhüllkurve des Pulses sehr stable und leicht einstellbar ist. Die hier beschriebene Arbeit ist die erste Verwendung dieser CEP-stabilisierten THz-Pulse zur Untersuchung des Ladungstransports in einem Halbleiter, in diesem Fall Galliumselenid (GaSe). (Frühere Forschungsstudien anderer Gruppen hatten die Auswirkungen tensiver, nicht CEP-stabilisierter THz-Impulse auf Halbleiter untersucht.) Es wurde erwartet, dass die Möglichkeit, die CEP-Verzögerung anzupassen, bisher verborgene Informationen über Leitungswege offenlegen 콘테.
Wie in Abbildung 1 dargestellt, ist das Herzstück ihres Aufbaus ein 바카라 카지노 Legend Elite Duo-Ultrafast-Verstärker, der von einem gepulsten 바카라 카지노 Evolution-Laser gepumpt wird. 바카라 카지노 Titan-Saphir-Vitara-Laseroszillator gespeist, der von einem rauscharmen 바카라 카지노 Verdi-Laser gepumpt wird. Der Verstärkerausgangsstrahl wird zum Pumpen zweier abstimmbarer optisch-parametrischer Verstärker(OPA) 버전. Signalwellenlängen dieser beiden OPA sind so abgestimmt, dass sie einen Terahertz-Frequenzunterschied (z. B. 30 THz) zwischen ihren Ausgängen erzeugen, wenn sie in einem geeigneten Differenzfrequenzerzeugungskristall (DFG) kombiniert werden. Der Einsatz der DFG-Technik gewährleistet, dass die resultierenden Pulse "passiv" CEP-stabil sind, ohne dass jedoch ein CEP-stabilisierter Pumplaser erforderlich ist.
압빌둥 1.Schematische Darstellung des Experimentellen Systems, das in dieser THz-Forschung verwendet wird.
Im Vergleich zu anderen Methoden zur Erzeugung von THz-Pulsen hat Hubers Methode mehrere Vorteile. Erstens sind die THz-Impulse kohärent und ermöglichen die Erzeugung eines hohen elektrischen Feldes, wenn sie in einen Halbleiter oder ein dielektrisches Material fokussiert werden. Außerdem lässt sich die mittlere Wellenlänge des THz-Impulses leicht abstimmen, indem man einfach den Frequenzunterschied (Wellenlängenunterschied) zwischen den beiden OPA abstimmt. Solche Impulse ermöglichen es Forschern, Effekte als Funktion mehrerer Parameter zu untersuchen: Elektrische Feldstärke, THz-Frequenz und CEP-Offset.
Die Notwendigkeit eines leistungsstarken Verstärkers
Das Herzstück des in dieser Forschung verwendeten Lasersystems ist ein Titan-Saphir-Verstärker, der vor allem aufgrund seiner hohen Pulsenergie, hohen Wiederholungsrate (und damit hohen Durchschnittsleistung), überlegenen Strahlqualität und einfachen Kühlung ausgewählt wurde. Wir untersuchen nun, warum diese Eigenschaften von entscheidender Bedeutung sind und wie das Legend Elite Duo diese Kombination von Vorteilen auf einzigartige Weise bietet.
Laut Huber-Teammitglied Dr. Olaf Schubert는 "eine hohe Pulsenergie aus zwei Gründen wichtig."입니다. Dies führt zunächst zur höchsten THz-Pulsenergie und damit zu den höchsten temporaryen Feldern in der Halbleiterprobe. 그리고 실제로는 dass diese Methode zur Erzeugung CEP-stabilisierter THz-Impulse auf der Verwendung zweier OPA beruht, die vollständigphasenkorreliert sind. Der einzige direct Weg, diese Korrelation zu erreichen, besteht darin, beide OPA von einer einzigen Verstärkerquelle anzutreiben, die sowohl die Antriebsleistung des Verstärkers als auch einen einzelnen Weißlicht-Seed-Impuls für beide OPA bereitstellen muss.“ Als das Huber-THz-Setup zum ersten Mal zusammengestellt wurde, war die höchste Die verfügbare Pulsenergie bei der gewünschten Wiederholrate von 3 kHz betrug 5 Millijoule vom Legend Elite Duo.*
Bei dieser Art von Studie ermöglicht eine hohe Wiederholungsrate die Durchführung von Multiparameter-Experimenten in kürzeren Zeiträumen, trotz aller nichtlinearen Wechselwirkungen, die diese Experimente mit sich Bringen. Legend Elite liefert selbst bei 3 kHz eine hohe Pulsenergie, wenn er vom leistungsstarken Evolution -HE– gepumpt wird, einem frequenzverdoppelten Nd:YLF-Laser, der bis zu 15 mJ/Puls bei 3 kHz liefert.
Strahlqualität (d. h. niedriger M2) und geringes Rauschen sind wichtig, da ein OPA ein nichtlineares Gerät ist. Tatsächlich hängt seine Effizienz (und damit Ausgangsleistung) erheblich von der Strahlqualität des Pumplasers ab. Darüber hinaus werden die THz-Erzeugung und insbesondere ihre höheren Harmonischen durch Amplitudenrauschen im Pumpstrahl negativ beeinflusst, da es sich um nichtlineare Prozesse handelt, bei denen jegliche Eingangsleistungsschwankung verstärkt wird. Eine bessere Strahlqualität und ein besseres Rauschen können das SNR der Daten erheblich verbessern und die Datenerfassungszeiten verkürzen.
압빌둥 2.Die Wellenform des THz-Antriebsfelds (blaue, durchgezogene Kurve) weist eine Gaußsche Hüllkurve (schwarze gestrichelte Kurve) mit einer Intensitätshalbwertsbreite von 109 fs auf, die drei optische Zyklen enthält. Der Transiente wurde elektrooptisch in einem GaSe-Sensor(Dicke 40 µm) mit einem 8 fs langen Nahinfrarot-Gate-Impuls(Mittenwellenlänge 0,84 µm) aufgezeichnet.
바카라 카지노 Legend-Verstärker sind so konzipiert, dass sie sowohl kurz- als auch langfristig eine gleichbleibend hohe Strahlqualität und ein hohes Rauschen bieten, Sodass jeder Experimentelle Datensatz nicht nur schnell erfasst, sondern auch sehr Guut wiederholbar ist.
전자 장치 감지 – THz-Signalabtastung mit Femtosekundengeschwindigkeit
Wie bereits erwähnt, erzeugen die tenstensn THz-Impulse bei Fokussierung auf eine Halbleiterprobe (GaSe) ein elektrisches Feld von 100 MV/cm, das auf einer Femtosekunden-Zeitskala oszilliert. Das Feld regt Elektronen im GaSe an und ihre Dynamik kann mit Femtosekunden-Auflösung überwacht werden, indem die THz-Strahlung, die als Ergebnis dieser oszillierenden Anregung wieder Emtiert wird, "stroboskopisch" erfasst wird.
Diese THz-Signalimpulse werden mithilfe des Pockels-Effekts aufgezeichnet. In einer herkömmlichen Pockels-Zelle wird ein elektrisches Hochspannungsfeld an einen Kristall wie KD*P angelegt. Dadurch dreht der Kristall die Polarization der einfallenden optischen Strahlung. Die Hinzufügung eines Kreuz polarisators führt zu einem aktiven optischen Schalter. In der hier beschriebenen Forschung ersetzt das THz-Feld das relativ langsame elektrische Feld und induziert eine vorübergehende Doppelbrechung. Die schnelle Erfassung der THz-Feldoszillationen erfolgt durch die Erkennung von Polarisationsverschiebungen bei der Übertragung von Superkontinuumsimpulsen, die durch die Fokussierung eines Teils des OPA-Ausgangs in einen YAG-Kristall und die anschließende Rekomprimierung dieser spektral breiten Impulse auf eine Impulsbreite von 8 fs erzeugt werden – siehe Abbildung 1. (In a In einer Reihe früherer Experimente wurden diese Impulse von einem Faserlaser erzeugt [2].)
Darüber hinaus wird das zeitlich gemittelte Signal mittels eines dispersiven Monochromators, der mit einem InGaAs-Diodenarray und einem Silizium-CCD ausgestattet ist, im Frequenzbereich abgebildet. Zusammen mit den von Pockels erfassten Daten ermöglicht dieser Aufbau die Kartierung des emtierten Spektrums vom Terahertz-Bereich über das ferne Infrarot bis zum sichtbaren Spektrum
Auswirkungen auf die Elektronik – Bloch-Oszillationen und mehr.
Felix Bloch sagte vor 85 Jahren voraus, dass hochbeschleunigte Elektronen in einem periodischen Festkörper wie diesen GaSe-Proben schnelle Oszillationen durchlaufen würden, weil ihre effektive Wellenlänge auf der gleichen Größenskala wie das Kristallgitter liegen würde [3]. (Dies ist Analog zur bekannten Interferenz zwischen Photonen und periodischen Strukturen bei längeren Wellenlängen). 알레르기는 natürlichen Festkörpern aufgrund der sehr schnellen Streuung der Elektronen kaum zu beobachten의 Bloch-Oszillationen에서 발생합니다 [4]. Durch die Verwendung von Femtosekunden-THz-Pulsen wird die Anregungszeitspanne vergleichbar oder schneller als der Streuprozess und die oszillierenden Elektronen Emtieren nachweisbare elektromagnetische Strahlung im gesamten Frequenzbereich von 0,1 bis 675 THz.
Technisch ausgedrückt: Da der THz-Anregungsimpuls das externe elektrische Feld schnell umschaltet, durchlaufen die Elektronen Übergänge zwischen Valenz- und Leitungsbändern. Dies wäre bei 선형 광학 장치 흡수 aufgrund der geringen Photonenenergien nicht möglich. Darüber hinaus reagieren die Details der resultierenden Emission sehr empfindlich auf änderungen im CEP-Offset des Anregungsimpulses.
그림 3.Die oszillierende Anregung von Elektronen in der GaSe-Probe führt zur Emission einer erweiterten Harmonischenleiter von 0,1 THz bis 675 THz.
Die Gruppen von Stephan W. Koch und Mackillo Kira von der Universität Marburg haben in Zusammenarbeit mit Torsten Meier von der Universität Paderborn diese Abhängigkeit erfolgreich 분석, indem sie eine vollständige Quanten-Vielteilchentheorie entwickelt haben, die weit über Blochs bahnbrechende Vorhersage hinausgeht [5]. . Vereinfacht ausgedrückt zeigten sie, dass drei verschiedene Valenzbänder und zwei Leitungsbänder beteiligt sind. Diese komplexe 상황 bietet mehrere Anregungswege zwischen den Valenz- und Leitungsbändern (siehe Abbildung 4). Sie zeigen, dass die beobachtete CEP-Abhängigkeit auf Interferenzen zwischen den verschiedenen Signalwegen zurückzuführen ist.
압빌둥 4.Elektronen können sich in GaSe zwischen fünf verschiedenen Bändern bewegen – drei Valenzbändern und zwei Leitungsbändern – und so mehrere Anregungswege bereitstellen.
Vereinfacht ausgedrückt offenbaren diese einzigartigen Daten bisher verborgene quotenelektronische Phänomene, die für zukünftige Halbleiterbauelemente bei Teraflop-Taktraten 관련 sind. Insbesondere bieten sie einen ersten Einblick in ein neuartiges Regime des Hochfeld-Ladungstransports auf Zeitskalen eines einzelnen Lichtzyklus.
Implikationen der Photonik – Phasenverriegelte hohe Harmonische
Aus photonischer Sicht ist die Art der vom GaSeemitierten Strahlung gleichermaßen interessant und möglicherweise von weitreichender Bedeutung und Nützlichkeit. Erstens Deckt diese Strahlung ein unglaublich breites Spektrum an Harmonischen und damit Frequenzen ab. Dies reicht von einer Grundfrequenz bei <0,1 THz über das Sichtbare bis zur 22. Harmonischen bei 675 THz, bevor die Signalstärke auf natürliche Weise abklingt und auch den Wellenlängenbereich der Fotodetektoren überschreitet.
Zwei Aspekte는 Frequenzkamms machen ihn zu einem nützlichen und einzigartigen Werkzeug für die Durchführung anderer Wissenschaften auf der Femtosekunden-Zeitskala를 죽였습니다. Erstens handelt es sich um eine extrem lange Oberwellenleiter, und zweitens sind alle Oberwellen kohärent und genauphasenstarr, obwohl sie einen so großen Bereich des elektromagnetischen Spektrums abdecken. Hubers Gruppe bestätigte diese CEP-Stabilität, indem sie einen Standardmäßigen f-2f-Interferometrievergleich durchführte, indem sie beispielsweise die 6. Harmonische verdoppelte und die Interferenz zwischen dieser und der 12. Harmonischen erkannte. Dies ergab eine CEP-Stabilität im Mikroradian-Bereich über ein komplettes zehnminütiges Messintervall.
Zusammenfassung
Um die Entwicklung integrierter Halbleiterschaltkreise mit immer höherer Dichte und schnellerer Geschwindigkeit zu unterstützen, müssen neue Grenzen in der Halbleiterphysik erkundet werden. Energetische und stable Femtosekunden-Laserverstärker bieten einzigartige Werkzeuge zur Untersuchung der Hochfeld- und Hochgeschwindigkeits-Festkörperphysik, indem sie hochgradig nichtlineare Prozesse wie die harmonische Erzeugung im THz-Bereich Pumpen. Neben der Aufdeckung neuer Informationen über kohärente elektronische Effekte unter diesen Bedingungen ist ein wichtiger Nebeneffekt die Erzeugung einer ausgedehnten Leiter Phasenstabilisierter Oberwellen von Femtosekunden Dauer über den gesamten THz- bis zum sichtbaren Bereich 전자 자기 스펙트럼. Diese Leiter wiederum wird sich wahrscheinlich als nützliches Werkzeug für hochmoderne photonische Experimente erweisen.