Accompanied by the rapid development of ultrafast laser platforms in recent decades, the spatiotemporal manipulation of ultrashort laser pulses has attracted much attention due to the potential for cutting-edge applications of structured light, including optical tweezers, optical communications, super-resolution imaging, time-resolved spectroscopy in molecules and quantum materials, and strong-field physics. Today, techniques capable of characterizing the full spatial, temporal, and polarization state properties of structured light are strongly desired. Here, we demonstrate a technique, termed 3D TIPTOE, for characterizing structured mid-infrared waveforms, which uses only a two-dimensional silicon-based image sensor as both the detector and the nonlinear medium. By combining the advantages of the sub-cycle time resolution afforded by nonlinear excitation and the spatial resolution inherent to the two-dimensional sensor, the 3D TIPTOE technique allows full characterization of structured electric fields, significantly reducing the complexity of detection compared to other techniques. The validity of the technique is established by measuring both few-cycle Bessel–Gaussian pulses and radially polarized femtosecond vector beams.

Layered metal thio- and selenophosphates (MTPs) are a family of van der Waals gapped materials that exhibit a multitude of functionalities in terms of magnetic, ferroelectric, and optical properties. Despite the recent progress in terms of understanding the material properties of these compounds, the potential of MTPs as a material class yet needs further scrutiny, especially in terms of nonlinear optical properties. Recent reports of efficient low-order harmonic generation and extremely high third-order nonlinear optical properties in MTPs suggest the potential application of these materials in integrated nanophotonics. In this article, we investigate the high-order nonlinear response of bulk and exfoliated thin-film crystals of copper indium thiophosphate (CIPS) to intense mid-infrared fields through experimental and computational studies of high-order harmonic generation (HHG). From a driving laser source with a 3.2 μm wavelength, we generate odd and even harmonics up to the 10th order, exceeding the bandgap of the material. We note conversion efficiencies as high as 10–7 measured for the fifth and seventh harmonics and observe that the harmonic intensities follow a power law scaling with the driving laser intensity, suggesting a perturbative nonlinear optical origin of the observed harmonics for both bulk and thin flakes. Furthermore, first-principles calculations suggest that the generation of the highest harmonic orders results from electron–electron interactions, suggesting a correlation-mediated enhancement of the high-order optical nonlinearity.

Field-resolved measurements of few-cycle laser waveforms allow access to ultrafast electron dynamics in light–matter interactions and are key to future lightwave electronics. Recently, sub-cycle gating based on nonlinear excitation in active pixel sensors has allowed the first single-shot measurements of mid-infrared optical fields. Extending the techniques to shorter wavelengths, however, is not feasible using silicon-based detectors with bandgaps in the near-infrared. Here, we demonstrate an all-optical sampling technique for near-infrared laser fields, wherein an intense fundamental field generates a sub-cycle gate through nonlinear excitation of a wide-bandgap crystal, in this case, ZnO, which can sample the electric field of a weak perturbing pulse. By using a crossed-beam geometry, the temporal evolution of the perturbing field is mapped onto a transverse spatial axis of the nonlinear medium, and the waveform is captured in a single measurement of the spatially resolved fluorescence emission from the crystal. The technique is demonstrated through field-resolved measurements of the field reshaping during nonlinear propagation in the ZnO detection crystal.