Abstract

The emission of freely propagating terahertz (THz) radiation coming from optical rectification at metallic surfaces has been detected and characterized for the first time to the authors’ knowledge. The observed THz transients are induced through nonlinear electronic processes at gold and silver surfaces on intense pulsed optical photoexcitation and exhibit a peak electric field of as much as 200 V/cm. This finding opens a qualitatively new way to investigate nonlinear phenomena at metal surfaces and also can be exploited for the development of new THz emitters.

© 2004 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. G. Grüner, ed., Millimeter and Submillimeter Wave Spectroscopy of Solids (Springer-Verlag, Berlin, 1998).
    [CrossRef]
  2. C. A. Schmuttenmaer, Chem. Rev. 104, 1759 (2004).
    [CrossRef] [PubMed]
  3. B. Ferguson and X.-C. Zhang, Nature Mater. 1, 26 (2002).
    [CrossRef]
  4. D. Mittleman, Sensing with Terahertz Radiation (Springer-Verlag, Berlin, 2003).
    [CrossRef]
  5. D. H. Auston, K. P. Cheung, J. A. Valdmanis, and D. A. Kleinman, Phys. Rev. Lett. 53, 1555 (1984).
    [CrossRef]
  6. H. Ohtake, H. Murakami, T. Yano, S. Ono, N. Sarukura, H. Takahashi, Y. Suzuki, G. Nishijima, and K. Watanabe, Appl. Phys. Lett. 82, 1164 (2003).
    [CrossRef]
  7. Y. Jin, F. Ma, G. A. Wagoner, M. Alexander, and X.-C. Zhang, Appl. Phys. Lett. 65, 682 (1994).
    [CrossRef]
  8. J. L. W. Siders, S. A. Trugman, F. H. Garzon, R. J. Houlton, and A. J. Taylor, Phys. Rev. B 61, 13,633 (2000).
    [CrossRef]
  9. E. Beaurepaire, G. M. Turner, S. M. Harrel, M. C. Beard, J.-Y. Bigot, and C. A. Schmuttenmaer, Appl. Phys. Lett. 84, 3465 (2004).
    [CrossRef]
  10. F. Brown, R. E. Parks, and A. M. Sleeper, Phys. Rev. Lett. 14, 1029 (1965).
    [CrossRef]
  11. N. Bloembergen, R. K. Chang, S. S. Jha, and C. H. Lee, Phys. Rev. 174, 813 (1968).
    [CrossRef]
  12. H. R. Jensen, R. Reinisch, and J. L. Coutaz, Appl. Phys. B 64, 57 (1997).
    [CrossRef]
  13. J. A. Maytorena, W. L. Mochán, and B. S. Mendoza, Phys. Rev. B 57, 2580 (1998).
    [CrossRef]
  14. J. A. Maytorena, B. S. Mendoza, and W. L. Mochán, Phys. Rev. B 57, 2569 (1998).
    [CrossRef]
  15. W. Hübner, K. H. Bennemann, and K. Böhmer, Phys. Rev. B 50, 17,597 (1994).
    [CrossRef]
  16. P. U. Jepsen, R. H. Jacobsen, and S. R. Keiding, J. Opt. Soc. Am. B 13, 2424 (1996).
    [CrossRef]
  17. H. Němec, A. Pashkin, P. Kužel, M. Khazan, S. Schnüll, and I. Wilke, J. Appl. Phys. 90, 1303 (2001).
    [CrossRef]
  18. H. Němec, F. Kadlec, and P. Kužel, J. Chem. Phys. 117, 8454 (2002).
  19. D. J. Hilton, R. D. Averitt, C. A. Meserole, G. L. Fisher, D. J. Funk, J. D. Thompson, and A. J. Taylor, Opt. Lett. 29, 1805 (2004).
    [CrossRef] [PubMed]

2004 (3)

C. A. Schmuttenmaer, Chem. Rev. 104, 1759 (2004).
[CrossRef] [PubMed]

E. Beaurepaire, G. M. Turner, S. M. Harrel, M. C. Beard, J.-Y. Bigot, and C. A. Schmuttenmaer, Appl. Phys. Lett. 84, 3465 (2004).
[CrossRef]

D. J. Hilton, R. D. Averitt, C. A. Meserole, G. L. Fisher, D. J. Funk, J. D. Thompson, and A. J. Taylor, Opt. Lett. 29, 1805 (2004).
[CrossRef] [PubMed]

2003 (1)

H. Ohtake, H. Murakami, T. Yano, S. Ono, N. Sarukura, H. Takahashi, Y. Suzuki, G. Nishijima, and K. Watanabe, Appl. Phys. Lett. 82, 1164 (2003).
[CrossRef]

2002 (2)

B. Ferguson and X.-C. Zhang, Nature Mater. 1, 26 (2002).
[CrossRef]

H. Němec, F. Kadlec, and P. Kužel, J. Chem. Phys. 117, 8454 (2002).

2001 (1)

H. Němec, A. Pashkin, P. Kužel, M. Khazan, S. Schnüll, and I. Wilke, J. Appl. Phys. 90, 1303 (2001).
[CrossRef]

2000 (1)

J. L. W. Siders, S. A. Trugman, F. H. Garzon, R. J. Houlton, and A. J. Taylor, Phys. Rev. B 61, 13,633 (2000).
[CrossRef]

1998 (2)

J. A. Maytorena, W. L. Mochán, and B. S. Mendoza, Phys. Rev. B 57, 2580 (1998).
[CrossRef]

J. A. Maytorena, B. S. Mendoza, and W. L. Mochán, Phys. Rev. B 57, 2569 (1998).
[CrossRef]

1997 (1)

H. R. Jensen, R. Reinisch, and J. L. Coutaz, Appl. Phys. B 64, 57 (1997).
[CrossRef]

1996 (1)

1994 (2)

W. Hübner, K. H. Bennemann, and K. Böhmer, Phys. Rev. B 50, 17,597 (1994).
[CrossRef]

Y. Jin, F. Ma, G. A. Wagoner, M. Alexander, and X.-C. Zhang, Appl. Phys. Lett. 65, 682 (1994).
[CrossRef]

1984 (1)

D. H. Auston, K. P. Cheung, J. A. Valdmanis, and D. A. Kleinman, Phys. Rev. Lett. 53, 1555 (1984).
[CrossRef]

1968 (1)

N. Bloembergen, R. K. Chang, S. S. Jha, and C. H. Lee, Phys. Rev. 174, 813 (1968).
[CrossRef]

1965 (1)

F. Brown, R. E. Parks, and A. M. Sleeper, Phys. Rev. Lett. 14, 1029 (1965).
[CrossRef]

Alexander, M.

Y. Jin, F. Ma, G. A. Wagoner, M. Alexander, and X.-C. Zhang, Appl. Phys. Lett. 65, 682 (1994).
[CrossRef]

Auston, D. H.

D. H. Auston, K. P. Cheung, J. A. Valdmanis, and D. A. Kleinman, Phys. Rev. Lett. 53, 1555 (1984).
[CrossRef]

Averitt, R. D.

Beard, M. C.

E. Beaurepaire, G. M. Turner, S. M. Harrel, M. C. Beard, J.-Y. Bigot, and C. A. Schmuttenmaer, Appl. Phys. Lett. 84, 3465 (2004).
[CrossRef]

Beaurepaire, E.

E. Beaurepaire, G. M. Turner, S. M. Harrel, M. C. Beard, J.-Y. Bigot, and C. A. Schmuttenmaer, Appl. Phys. Lett. 84, 3465 (2004).
[CrossRef]

Bennemann, K. H.

W. Hübner, K. H. Bennemann, and K. Böhmer, Phys. Rev. B 50, 17,597 (1994).
[CrossRef]

Bigot, J.-Y.

E. Beaurepaire, G. M. Turner, S. M. Harrel, M. C. Beard, J.-Y. Bigot, and C. A. Schmuttenmaer, Appl. Phys. Lett. 84, 3465 (2004).
[CrossRef]

Bloembergen, N.

N. Bloembergen, R. K. Chang, S. S. Jha, and C. H. Lee, Phys. Rev. 174, 813 (1968).
[CrossRef]

Böhmer, K.

W. Hübner, K. H. Bennemann, and K. Böhmer, Phys. Rev. B 50, 17,597 (1994).
[CrossRef]

Brown, F.

F. Brown, R. E. Parks, and A. M. Sleeper, Phys. Rev. Lett. 14, 1029 (1965).
[CrossRef]

Chang, R. K.

N. Bloembergen, R. K. Chang, S. S. Jha, and C. H. Lee, Phys. Rev. 174, 813 (1968).
[CrossRef]

Cheung, K. P.

D. H. Auston, K. P. Cheung, J. A. Valdmanis, and D. A. Kleinman, Phys. Rev. Lett. 53, 1555 (1984).
[CrossRef]

Coutaz, J. L.

H. R. Jensen, R. Reinisch, and J. L. Coutaz, Appl. Phys. B 64, 57 (1997).
[CrossRef]

Ferguson, B.

B. Ferguson and X.-C. Zhang, Nature Mater. 1, 26 (2002).
[CrossRef]

Fisher, G. L.

Funk, D. J.

Garzon, F. H.

J. L. W. Siders, S. A. Trugman, F. H. Garzon, R. J. Houlton, and A. J. Taylor, Phys. Rev. B 61, 13,633 (2000).
[CrossRef]

Harrel, S. M.

E. Beaurepaire, G. M. Turner, S. M. Harrel, M. C. Beard, J.-Y. Bigot, and C. A. Schmuttenmaer, Appl. Phys. Lett. 84, 3465 (2004).
[CrossRef]

Hilton, D. J.

Houlton, R. J.

J. L. W. Siders, S. A. Trugman, F. H. Garzon, R. J. Houlton, and A. J. Taylor, Phys. Rev. B 61, 13,633 (2000).
[CrossRef]

Hübner, W.

W. Hübner, K. H. Bennemann, and K. Böhmer, Phys. Rev. B 50, 17,597 (1994).
[CrossRef]

Jacobsen, R. H.

Jensen, H. R.

H. R. Jensen, R. Reinisch, and J. L. Coutaz, Appl. Phys. B 64, 57 (1997).
[CrossRef]

Jepsen, P. U.

Jha, S. S.

N. Bloembergen, R. K. Chang, S. S. Jha, and C. H. Lee, Phys. Rev. 174, 813 (1968).
[CrossRef]

Jin, Y.

Y. Jin, F. Ma, G. A. Wagoner, M. Alexander, and X.-C. Zhang, Appl. Phys. Lett. 65, 682 (1994).
[CrossRef]

Kadlec, F.

H. Němec, F. Kadlec, and P. Kužel, J. Chem. Phys. 117, 8454 (2002).

Keiding, S. R.

Khazan, M.

H. Němec, A. Pashkin, P. Kužel, M. Khazan, S. Schnüll, and I. Wilke, J. Appl. Phys. 90, 1303 (2001).
[CrossRef]

Kleinman, D. A.

D. H. Auston, K. P. Cheung, J. A. Valdmanis, and D. A. Kleinman, Phys. Rev. Lett. 53, 1555 (1984).
[CrossRef]

Kužel, P.

H. Němec, F. Kadlec, and P. Kužel, J. Chem. Phys. 117, 8454 (2002).

H. Němec, A. Pashkin, P. Kužel, M. Khazan, S. Schnüll, and I. Wilke, J. Appl. Phys. 90, 1303 (2001).
[CrossRef]

Lee, C. H.

N. Bloembergen, R. K. Chang, S. S. Jha, and C. H. Lee, Phys. Rev. 174, 813 (1968).
[CrossRef]

Ma, F.

Y. Jin, F. Ma, G. A. Wagoner, M. Alexander, and X.-C. Zhang, Appl. Phys. Lett. 65, 682 (1994).
[CrossRef]

Maytorena, J. A.

J. A. Maytorena, W. L. Mochán, and B. S. Mendoza, Phys. Rev. B 57, 2580 (1998).
[CrossRef]

J. A. Maytorena, B. S. Mendoza, and W. L. Mochán, Phys. Rev. B 57, 2569 (1998).
[CrossRef]

Mendoza, B. S.

J. A. Maytorena, B. S. Mendoza, and W. L. Mochán, Phys. Rev. B 57, 2569 (1998).
[CrossRef]

J. A. Maytorena, W. L. Mochán, and B. S. Mendoza, Phys. Rev. B 57, 2580 (1998).
[CrossRef]

Meserole, C. A.

Mittleman, D.

D. Mittleman, Sensing with Terahertz Radiation (Springer-Verlag, Berlin, 2003).
[CrossRef]

Mochán, W. L.

J. A. Maytorena, B. S. Mendoza, and W. L. Mochán, Phys. Rev. B 57, 2569 (1998).
[CrossRef]

J. A. Maytorena, W. L. Mochán, and B. S. Mendoza, Phys. Rev. B 57, 2580 (1998).
[CrossRef]

Murakami, H.

H. Ohtake, H. Murakami, T. Yano, S. Ono, N. Sarukura, H. Takahashi, Y. Suzuki, G. Nishijima, and K. Watanabe, Appl. Phys. Lett. 82, 1164 (2003).
[CrossRef]

Nemec, H.

H. Němec, F. Kadlec, and P. Kužel, J. Chem. Phys. 117, 8454 (2002).

H. Němec, A. Pashkin, P. Kužel, M. Khazan, S. Schnüll, and I. Wilke, J. Appl. Phys. 90, 1303 (2001).
[CrossRef]

Nishijima, G.

H. Ohtake, H. Murakami, T. Yano, S. Ono, N. Sarukura, H. Takahashi, Y. Suzuki, G. Nishijima, and K. Watanabe, Appl. Phys. Lett. 82, 1164 (2003).
[CrossRef]

Ohtake, H.

H. Ohtake, H. Murakami, T. Yano, S. Ono, N. Sarukura, H. Takahashi, Y. Suzuki, G. Nishijima, and K. Watanabe, Appl. Phys. Lett. 82, 1164 (2003).
[CrossRef]

Ono, S.

H. Ohtake, H. Murakami, T. Yano, S. Ono, N. Sarukura, H. Takahashi, Y. Suzuki, G. Nishijima, and K. Watanabe, Appl. Phys. Lett. 82, 1164 (2003).
[CrossRef]

Parks, R. E.

F. Brown, R. E. Parks, and A. M. Sleeper, Phys. Rev. Lett. 14, 1029 (1965).
[CrossRef]

Pashkin, A.

H. Němec, A. Pashkin, P. Kužel, M. Khazan, S. Schnüll, and I. Wilke, J. Appl. Phys. 90, 1303 (2001).
[CrossRef]

Reinisch, R.

H. R. Jensen, R. Reinisch, and J. L. Coutaz, Appl. Phys. B 64, 57 (1997).
[CrossRef]

Sarukura, N.

H. Ohtake, H. Murakami, T. Yano, S. Ono, N. Sarukura, H. Takahashi, Y. Suzuki, G. Nishijima, and K. Watanabe, Appl. Phys. Lett. 82, 1164 (2003).
[CrossRef]

Schmuttenmaer, C. A.

C. A. Schmuttenmaer, Chem. Rev. 104, 1759 (2004).
[CrossRef] [PubMed]

E. Beaurepaire, G. M. Turner, S. M. Harrel, M. C. Beard, J.-Y. Bigot, and C. A. Schmuttenmaer, Appl. Phys. Lett. 84, 3465 (2004).
[CrossRef]

Schnüll, S.

H. Němec, A. Pashkin, P. Kužel, M. Khazan, S. Schnüll, and I. Wilke, J. Appl. Phys. 90, 1303 (2001).
[CrossRef]

Siders, J. L. W.

J. L. W. Siders, S. A. Trugman, F. H. Garzon, R. J. Houlton, and A. J. Taylor, Phys. Rev. B 61, 13,633 (2000).
[CrossRef]

Sleeper, A. M.

F. Brown, R. E. Parks, and A. M. Sleeper, Phys. Rev. Lett. 14, 1029 (1965).
[CrossRef]

Suzuki, Y.

H. Ohtake, H. Murakami, T. Yano, S. Ono, N. Sarukura, H. Takahashi, Y. Suzuki, G. Nishijima, and K. Watanabe, Appl. Phys. Lett. 82, 1164 (2003).
[CrossRef]

Takahashi, H.

H. Ohtake, H. Murakami, T. Yano, S. Ono, N. Sarukura, H. Takahashi, Y. Suzuki, G. Nishijima, and K. Watanabe, Appl. Phys. Lett. 82, 1164 (2003).
[CrossRef]

Taylor, A. J.

D. J. Hilton, R. D. Averitt, C. A. Meserole, G. L. Fisher, D. J. Funk, J. D. Thompson, and A. J. Taylor, Opt. Lett. 29, 1805 (2004).
[CrossRef] [PubMed]

J. L. W. Siders, S. A. Trugman, F. H. Garzon, R. J. Houlton, and A. J. Taylor, Phys. Rev. B 61, 13,633 (2000).
[CrossRef]

Thompson, J. D.

Trugman, S. A.

J. L. W. Siders, S. A. Trugman, F. H. Garzon, R. J. Houlton, and A. J. Taylor, Phys. Rev. B 61, 13,633 (2000).
[CrossRef]

Turner, G. M.

E. Beaurepaire, G. M. Turner, S. M. Harrel, M. C. Beard, J.-Y. Bigot, and C. A. Schmuttenmaer, Appl. Phys. Lett. 84, 3465 (2004).
[CrossRef]

Valdmanis, J. A.

D. H. Auston, K. P. Cheung, J. A. Valdmanis, and D. A. Kleinman, Phys. Rev. Lett. 53, 1555 (1984).
[CrossRef]

Wagoner, G. A.

Y. Jin, F. Ma, G. A. Wagoner, M. Alexander, and X.-C. Zhang, Appl. Phys. Lett. 65, 682 (1994).
[CrossRef]

Watanabe, K.

H. Ohtake, H. Murakami, T. Yano, S. Ono, N. Sarukura, H. Takahashi, Y. Suzuki, G. Nishijima, and K. Watanabe, Appl. Phys. Lett. 82, 1164 (2003).
[CrossRef]

Wilke, I.

H. Němec, A. Pashkin, P. Kužel, M. Khazan, S. Schnüll, and I. Wilke, J. Appl. Phys. 90, 1303 (2001).
[CrossRef]

Yano, T.

H. Ohtake, H. Murakami, T. Yano, S. Ono, N. Sarukura, H. Takahashi, Y. Suzuki, G. Nishijima, and K. Watanabe, Appl. Phys. Lett. 82, 1164 (2003).
[CrossRef]

Zhang, X.-C.

B. Ferguson and X.-C. Zhang, Nature Mater. 1, 26 (2002).
[CrossRef]

Y. Jin, F. Ma, G. A. Wagoner, M. Alexander, and X.-C. Zhang, Appl. Phys. Lett. 65, 682 (1994).
[CrossRef]

Appl. Phys. B (1)

H. R. Jensen, R. Reinisch, and J. L. Coutaz, Appl. Phys. B 64, 57 (1997).
[CrossRef]

Appl. Phys. Lett. (3)

H. Ohtake, H. Murakami, T. Yano, S. Ono, N. Sarukura, H. Takahashi, Y. Suzuki, G. Nishijima, and K. Watanabe, Appl. Phys. Lett. 82, 1164 (2003).
[CrossRef]

Y. Jin, F. Ma, G. A. Wagoner, M. Alexander, and X.-C. Zhang, Appl. Phys. Lett. 65, 682 (1994).
[CrossRef]

E. Beaurepaire, G. M. Turner, S. M. Harrel, M. C. Beard, J.-Y. Bigot, and C. A. Schmuttenmaer, Appl. Phys. Lett. 84, 3465 (2004).
[CrossRef]

Chem. Rev. (1)

C. A. Schmuttenmaer, Chem. Rev. 104, 1759 (2004).
[CrossRef] [PubMed]

J. Appl. Phys. (1)

H. Němec, A. Pashkin, P. Kužel, M. Khazan, S. Schnüll, and I. Wilke, J. Appl. Phys. 90, 1303 (2001).
[CrossRef]

J. Chem. Phys. (1)

H. Němec, F. Kadlec, and P. Kužel, J. Chem. Phys. 117, 8454 (2002).

J. Opt. Soc. Am. B (1)

Nature Mater. (1)

B. Ferguson and X.-C. Zhang, Nature Mater. 1, 26 (2002).
[CrossRef]

Opt. Lett. (1)

Phys. Rev. (1)

N. Bloembergen, R. K. Chang, S. S. Jha, and C. H. Lee, Phys. Rev. 174, 813 (1968).
[CrossRef]

Phys. Rev. B (4)

J. A. Maytorena, W. L. Mochán, and B. S. Mendoza, Phys. Rev. B 57, 2580 (1998).
[CrossRef]

J. A. Maytorena, B. S. Mendoza, and W. L. Mochán, Phys. Rev. B 57, 2569 (1998).
[CrossRef]

W. Hübner, K. H. Bennemann, and K. Böhmer, Phys. Rev. B 50, 17,597 (1994).
[CrossRef]

J. L. W. Siders, S. A. Trugman, F. H. Garzon, R. J. Houlton, and A. J. Taylor, Phys. Rev. B 61, 13,633 (2000).
[CrossRef]

Phys. Rev. Lett. (2)

F. Brown, R. E. Parks, and A. M. Sleeper, Phys. Rev. Lett. 14, 1029 (1965).
[CrossRef]

D. H. Auston, K. P. Cheung, J. A. Valdmanis, and D. A. Kleinman, Phys. Rev. Lett. 53, 1555 (1984).
[CrossRef]

Other (2)

G. Grüner, ed., Millimeter and Submillimeter Wave Spectroscopy of Solids (Springer-Verlag, Berlin, 1998).
[CrossRef]

D. Mittleman, Sensing with Terahertz Radiation (Springer-Verlag, Berlin, 2003).
[CrossRef]

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (3)

Fig. 1
Fig. 1

Schematic of the experimental setup: WGP, wire-grid polarizer; PBS, pellicle beam splitter; C, compensator; WP, Wollaston prism; PD, balanced Si photodiodes.

Fig. 2
Fig. 2

Integrated THz pulse fluence ΦTHz as a function of incident fluence Φ0. s or p polarization refers to the excitation beam; experimental errors are less than ±10% in both coordinates.

Fig. 3
Fig. 3

Far-field THz waveforms measured with 810-nm excitation and Φ0=5.8 mJ/cm2. Inset, the corresponding surface current.

Equations (1)

Equations on this page are rendered with MathJax. Learn more.

Etjt*ψ2t,

Metrics