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高強度場非線形光学 / Strong-Field Nonlinear Optics

はじめに / Introduction

物質に1 V/nm以上の強い光電場を作用させると、摂動論の枠組みを超えた、極めて非線形性の強い応答が発現します。これは高強度場非線形光学現象と呼ばれており、気体原子のトンネルイオン化、高次高調波発生などが報告されてきました。私たちは、可視域と比べて大きなPonderomotiveエネルギー(光電場中の電子のエネルギーで波長の2乗に比例)の得やすい中赤外域の光パルスに注目し、これを利用した高強度場非線形光学現象の発現と制御に取り組んでいます。

When a strong electric field more than 1 V/nm is applied to a substance, an extremely nonlinear response beyond the perturbation theory appears. This is called a strong-field nonlinear optics. The typical examples are tunnel ionization of gas atoms, high harmonic generation, etc. We focus on optical pulses in the mid-infrared region, where we have higher Ponderomotive energy (energy of electrons in the optical electric field, proportional to the square of wavelength) compared with the visible region, and work on the realization and control of strong-field nonlinear optics.

プラズモン増強場による光電界電子放出 / Optical Field Emission by Plasmonically-Enhanced Near-Field

赤外超短パルスを金属ナノ構造に照射すると、時間的・空間的に局在した増強近接場を発生させることができます。本研究のねらいは、この増強近接場を用いた高強度場非線形光学現象の発現と制御です。一例として、金属ナノアンテナからの光電界電子放出が挙げられます。これは、ナノアンテナの先端に発生する増強電場によりナノアンテナから電子が量子力学的トンネリングのメカニズムにより放出される現象です。光パルスの波形整形技術と組み合わせることにより、放出電子の運動量が制御できるでしょう。

When an infrared ultrashort pulse is irradiated on a metal nanostructure, an enhanced electric field with spatio-temporal confinement is generated. We utilized this enhanced near-field to induce optical field emission from nanoantennas. This is a phenomenon that electrons are extracted from nanoantennas by the quantum-mechanical tunneling within a half-period of the oscillation of the driving laser. Combined with optical pulse waveform shaping technology, we can control the momentum of emitted electrons.

  1. F. Kusa, K. E. Echternkamp, G. Herink, C. Ropers, and S. Ashihara, “Optical field emission from resonant gold nanorods driven by femtosecond mid-infrared pulses,” AIP Advances Vol. 5, 077138 (2015).
  2. 芦原聡, 草史野, “赤外プラズモニック増強場を用いた金属表面における電子放出の直接的操作,” OplusE Vol. 438, pp. 432-437 (2016).
固体の高次高調波発生 / High Harmonic Generation in Solids

高次高調波発生は、励起光の数倍~数十倍という高い次数の高調波が生成される現象です。従来の非線形光学では、束縛電子の分極振動によって2次あるいは3次といった低次の高調波が生成されますが、高強度場領域で発現する高次高調波発生では、電子が親原子の束縛を離れ、励起光の光電場から得た運動エネルギーを高調波の光子エネルギーに変換します。従来は高次高調波発生の媒質は気体に限られていましたが、近年、固体媒質における高次高調波発生も報告され、高強度場非線形光学は新たな広がりを見せています。固体の高次高調波のメカニズムとして、ツェナートンネリングによる電子-正孔対生成、電子/正孔加速に伴うバンド内電流、バンド間分極振動が提唱されています。この機構を応用したバンド構造計測や、高い原子密度を活かした高効率な極紫外アト秒光源への応用が期待されています。当研究室では、固体のバンド構造と高次高調波発生特性との相関の解明[1]、および、金ナノアンテナが作る増強近接場(赤外プラズモニクスの項目を参照)による固体の高次高調波発生[2]などに取り組んでいます。

High harmonic generation (HHG) is a phenomenon where light with a frequency several to several tens of times the excitation frequency is generated. In conventional nonlinear optics, electric polarization oscillation of a bound electron produces a few order harmonics, but in the strong-field HHG, a bound electron gets apart from its parent ion and accelerated by the driver field, and then the acquired kinetic energy is converted to the photon energy of high harmonic components. Conventionally, HHG had been observed only in gas. However, the first report of HHG in “solids” in 2011 opened a new paradigm in strong-field nonlinear optics. An excitation mechanism (electron-hole pair generation by Zener tunneling, intra-band current accompanying electron / hole acceleration, inter-band recombination) has been proposed as the origin of solid HHG. Solid HHGs are promising for efficient attosecond pulse generation in extreme ultraviolet region and for band structure reconstruction. We study the correlation between the band structure and the HHG properties [1] and develop a scheme of solid HHGs using nano-scaled plasmonically enhanced electric field (see INFRARED PLASMONICS) [2].

  1. 梶智博, 今坂光太郎, 篠原康, 金島圭佑, 石井順久, 板谷治郎, 石川顕一, 芦原聡, 「固体結晶GaSeにおける深紫外域の高次高調波発生 (II)」、『第65回応用物理学会春季学術講演会』、19a-B301-5、早稲田大学、2018年3月
  2. K. Imasaka, T. Kaji, T. Shimura, and S. Ashihara, “Antenna-enhanced high harmonic generation in a wide-bandgap semiconductor ZnO,” Opt. Exp. 26, 21364—21374 (2018).
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