Štúdium vlastností generácie tretej harmonickej frekvencie v objemových polovodičoch

Vedoucí: doc. RNDr. Martin Kozák, Ph.D.

V každodennom živote sa stretávame so svetlom o intenzitách dostatočne nízkych na to, aby mohla byť jeho interakcia s okolitým svetom popísaná priblížením lineárnej optiky. Avšak pri práci v laserových laboratóriách, kde sú zdrojom svetla prevažne pulzné lasery, sa stretávame s optickým žiarením o intenzitách rádovo vyšších. Interakcia takéhoto intenzívneho žiarenia s látkou otvára cestu k množstvu nových zaujímavých javov, ktoré nie sú pre nízke intenzity svetla pozorovateľné. Popisu a skúmaniu týchto javov sa venuje odvetvie nelineárnej optiky [1,2]. V prípade, že je dopadajúce optické pole porovnateľné, prípadne väčšie ako je Coulombické pole jadier atómov v látke pôsobiace na elektróny (pre pevné látky rádovo 1010 V/m), je toto žiarenie schopné pôsobiť proti poľu jadier a uvoľniť viazané elektróny z atómov. Voľné elektróny sú následne urýchľované optickým poľom mimo materský atóm, čím získavajú vysokú kinetickú energiu. Po čase dochádza k zrážke uvoľnených elektrónov s materským jadrom a ich opätovnej rekombinácii, pričom získaná kinetická energia elektrónov sa uvoľní v podobe subfemtosekundových pulzov vysokoenergetických fotónov (1 fs = 10–15 s). Takto vyžiarené fotóny majú frekvencie dané celočíselnými násobkami frekvencie pôvodného dopadajúce žiarenia. Tento jav tzv. generácie vysokých harmonických frekvencií (z angl. high harmonic generation) sa od jeho objavenia stal často používaným nástrojom napr. na štúdium svetlom riadenej ultrarýchlej dynamiky elektrónov v atómoch a pevných látkach, skúmanie pásovej štruktúry kryštalických látok, prípadne ku generácii koherentných XUV pulzov.

Cieľom projektu bude rozšíriť experimentálne usporiadanie pripravené v Laserové laboratoři s ultrakrátkymi pulzy o generáciu tretej harmonickej frekvencie v objemovom kremíku a diamante [3] a následne študovať vlastnosti tohto žiarenia. Študent sa najprv zoznámi s problematikou generácie vysokých harmonických frekvencií v pevných látkach a s pripraveným usporiadaním. Následne experimentálne usporiadanie rozšíri o generáciu a detekciu poľa tretej harmonickej frekvencie. Hlavnou časťou projektu je optimalizácia tohto procesu a následné experimentálne štúdium vlastností generovaného žiarenia, akými sú jeho spektrum, polarizácia, efektivita konverzie, prípadne radiálny a časový profil v závislosti na vlastnostiach dopadajúceho žiarenia. V prípade záujmu môže byť projekt rozšírený o štúdium generácie tretej harmonickej frekvencie v závislosti na hustote preexcitovaných nosičov vo vzorke pomocou dodatočného svetelného pulzu, prípadne o merania teplotných závislostí vlastností generovaného poľa až do teploty 7 K pomocou pripraveného kryostatu.

Obr. 1: Uvoľnenie, urýchlenie a rekombinácia elektrónu riadená intenzívnym optickým poľom [4].

Zoznam literatúry:

[1] P. Malý, F. Trojánek. Laserová fyzika a nelineární optika. MatfyzPress, Praha, 2022.

[2] R. W. Boyd. Nonlinear Optics. Academic Press, San Diego, USA, 2008.

[3] Ch. Kittel. Introduction to Solid State Physics. John Wiley & Sons, Inc., USA, 2005.

[4] P. B. Corkum, F. Krausz. Attosecond science. Nat. Phys. 3, 381–387 (2007).