量子光驱动固态高次谐波生成器问世!

【研究背景】

高次谐波产生（HHG）是推动超快科学、极端非线性光学以及众多应用发展的关键技术。随着高次谐波在气体、液体和固体等不同介质中的产生，HHG逐渐被广泛应用于能带结构获取、极紫外光谱学、相干控制等领域。与传统的光源相比，HHG能够生成高能光子，具有时间分辨率高和频率范围广等优点。然而，HHG通常依赖于经典光场的驱动，而对于量子态光的应用仍然较少，这在理论上已经得到探讨但未能实现。因此，利用量子光驱动高次谐波产生面临着挑战，尤其是在所需的强度和短脉冲时间尺度下。

近日，来自德国 马克斯普朗克光学研究所Andrei Rasputnyi，Maria Chekhova & Francesco Tani等研究小组的研究人员在HHG领域取得了新进展。他们首次成功地用宏观量子态光，即明亮压缩真空（BSV），驱动固体中的高次谐波产生。该团队设计了一种新型的BSV产生装置，显著提高了高次谐波的生成效率。与传统的经典光源相比，BSV由于其广泛的光子数分布和强烈的电场波动，能够在更广的峰值强度范围内获取自由载流子动力学。

这一研究表明，BSV驱动的高次谐波生成具有更高的多光子效应，并且在抑制样品损伤方面表现出优越性。研究人员通过数值模拟和实验验证，表明BSV的引入为探索新现象提供了新的途径，并为结合强场物理和量子光学开辟了新的可能性。最终，该研究结果为HHG领域的发展提供了新的视角，并为未来的材料性质研究带来了新的机遇。

【仪器亮点】

本文通过高次谐波生成（HHG）原理和半导体Bloch方程，具体来说，利用线性偏振的泵浦光源，包括相干脉冲和光学超像（BSV）脉冲，首次研发了基于固体材料的高次谐波生成仪器，从而表征发现了在不同光源驱动下材料的非线性响应特性，最终揭示了光子统计特性对高次谐波生成过程的影响。

针对在固态介质中高次谐波生成现象，通过设计实验并结合时间分辨光学测量技术，得到了不同脉冲宽度和频谱带宽的泵浦光源对高次谐波强度和谐波结构的影响，进而挖掘了脉冲相干性在激发强非线性光学过程中的关键作用。在此基础上，通过自建的频率分辨光学门（FROG）系统，对相干脉冲和光学超像脉冲的时间特性进行了精确表征，揭示了不同光源下的时间特性差异，这为高次谐波生成机制提供了重要的实验依据。

此外，结合空间和时间特性的分析，使用了多种表征手段，包括光子数分布测量和高次谐波谱的分离检测，深入研究了泵浦光源的光子统计特性如何影响固体材料的非线性响应，尤其是如何通过精细调控光源特性提升高次谐波生成的效率和质量。这些发现不仅为后续的固态高次谐波生成研究提供了新的思路，还为未来基于高次谐波的光子技术应用奠定了重要的基础。

高次谐波驱动器的经典辐射和亮挤压真空BSV

参考文献：Rasputnyi, A., Chen, Z., Birk, M. et al. High-harmonic generation by a bright squeezed vacuum. Nat. Phys. (2024). https://doi.org/10.1038/s41567-024-02659-x