RU175819U1 - Источник узкополосного терагерцового излучения, вырабатываемого в монокристалле ниобата лития в направлении распространения возбуждающих ультракоротких лазерных импульсов - Google Patents

Источник узкополосного терагерцового излучения, вырабатываемого в монокристалле ниобата лития в направлении распространения возбуждающих ультракоротких лазерных импульсов Download PDF

Info

Publication number
RU175819U1
RU175819U1 RU2017109757U RU2017109757U RU175819U1 RU 175819 U1 RU175819 U1 RU 175819U1 RU 2017109757 U RU2017109757 U RU 2017109757U RU 2017109757 U RU2017109757 U RU 2017109757U RU 175819 U1 RU175819 U1 RU 175819U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
plate
single crystal
laser
terahertz
laser pulses
Prior art date
Application number
RU2017109757U
Other languages
English (en)
Inventor
Михаил Иванович Бакунов
Евгений Александрович Машкович
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского" filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского"
Priority to RU2017109757U priority Critical patent/RU175819U1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU175819U1 publication Critical patent/RU175819U1/ru

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/353—Frequency conversion, i.e. wherein a light beam is generated with frequency components different from those of the incident light beams
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/355—Non-linear optics characterised by the materials used
    • G02F1/3551—Crystals
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F2/00—Demodulating light; Transferring the modulation of modulated light; Frequency-changing of light
    • G02F2/02—Frequency-changing of light, e.g. by quantum counters

Landscapes

  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

Полезная модель относится к области оптического приборостроения и касается источника узкополосного терагерцового излучения. Источник включает в себя фемтосекундный лазер с линейно поляризованным импульсным излучением, оптико-терагерцовый преобразователь и прозрачный для терагерцового излучения поглотитель лазерного излучения. Оптико-терагерцовый преобразователь выполнен в виде пластины, сориентированной поверхностью одной из ее сторон с возможностью воздействия на нее лазерных импульсов и изготовленной из монокристалла ниобата лития с длиной прохождения лазерных импульсов в данном монокристалле, равной длине поглощения в нем терагерцового излучения. Кристаллографическая ось [100] монокристалла ниобата лития лежит в плоскости входной поверхности пластины и образует угол 45° с направлением вектора поляризации возбуждающего лазерного луча, а кристаллографическая ось [001] этого монокристалла образует с входной поверхностью пластины угол, выбираемый из интервала 62-75°. Технический результат заключается в повышении эффективности преобразования, увеличении соотношения сигнал/шум и сужении спектральной ширины линии излучения. 3 з.п. ф-лы. 5 ил.

Description

Полезная модель относится к источникам узкополосного терагерцового излучения и может быть использована для высокочувствительного оборудования спектроскопии, микроскопии и имиджинга.
Одна из самых распространенных техник генерации узкополосного терагерцового излучения, имеющая наиболее близкое отношение к заявляемому источнику терагерцового излучения, основана на оптическом выпрямлении фемтосекундных лазерных импульсов в электрооптических кристаллах.
В данной технике электрооптический кристалл облучают возбуждающими фемтосекундными лазерными импульсами, которые при распространении в электрооптическом кристалле наводят в нем нелинейную поляризацию, которая вырабатывает терагерцовое излучение (см. работу на английском языке автора G. Kh. Kitaeva «Terahertz generation by means of optical lasers» - LASER PHYS. LETT. 2008, v. 5, p. 559).
Источники основанные на данной технике состоят из фемтосекундного лазера, излучающего лазерные импульсы, оптико-терагерцового преобразователя на основе электрооптического кристалла и элемента для поглощения лазерного излучения и обладают следующими характеристиками: высокой частотой следования терагерцовых импульсов (обычно от десятков кГц до сотен МГц), что позволяет рассматривать динамику быстропротекающих процессов, узкой спектральной линией излучения, что позволяет исследовать спектральные свойства веществ на заданной частоте без влияния соседних частот и достаточно высокими энергетическими характеристики излучения.
В этих источниках в качестве оптико-терагерцового преобразователя используется наиболее распространенный кристалл ниобата лития (LiNbO3), который входит в ферроэлектрическую группу. Указанный кристалл обладает высоким порогом оптического разрушения ~1 ТВт/см2 и большим нелинейным коэффициентом. Так нелинейный коэффициент кристалла ниобата лития равен 168 пм/В, что в три раза превосходит нелинейный коэффициент кристалла теллурида цинка.
Известные источники узкополосного терагерцового излучения основанные на оптическом выпрямлении фемтосекундных лазерных импульсов в кристалле ниобата лития образуют следующие группы аналогов предлагаемого источника узкополосного терагерцового излучения: (i) источники на основе наклонного фронта интенсивности, (ii) источники на основе пространственного и временного шейпирования и (iii) источники на основе периодически поляризованной структуры.
В первой группе (i) источников фронт интенсивности фемтосекундного лазерного импульса наклонен по отношению к фазовому фронту импульса, что приводит к выполнению условий фазового синхронизма в кристалле ниобата лития, т.е. равенству фазовой скорости терагерцовой волны и проекции групповой скорости лазерного импульса на направление распространения терагерцовой волны (см. статью на англ. яз. авторов J. Hebling et al. «Tunable THz pulse generation by optical rectification of ultrashort laser pulses with tilted pulse fronts» - APPL. PHYS. B. 2004, v. 78, p. 593). В указанной статье монокристалл ниобата лития выполненный в форме призмы облучают фемтосекундными лазерными импульсами с центральной длиной волны 800 нм и наклонным фронтом интенсивности. Причем, вектор поляризации возбуждающих импульсов параллелен кристаллографической оси [001] кристалла ниобата лития. В результате, например, генерировалось терагерцовое излучение на рабочей частоте 1 ТГц с шириной спектральной линии больше 300 ГГц. При использование полоскового волновода из кристалла ниобата лития ширина спектральной линии может быть сужена до 70 ГГц на рабочей частоте 0,2 ТГц (см. статью на англ. яз. авторов K.-H. Lin et al. «Generation of multicycle terahertz phonon-polariton waves in a planar waveguide by tilted optical pulse fronts» - APPL. PHYS. LETT. 2009, v. 95, p. 103304).
Недостатком данной группы источников является большая ширина спектральной линии излучения связанная со слабой терагерцовой дисперсией кристалла ниобата лития.
Во второй группе (ii) источников фемтосекундным лазерным импульсам придают специальную пространственную (см. статью на англ. яз. авторов Т. Feurer et al. typesetting of terahertz waveforms» - OPTICS LETT. 2004, v. 29, p. 1802) или временную форму (см. статью на англ. яз. авторов D.W. Ward et al. «Coherent control of phonon-polaritons in a terahertz resonator fabricated with femtosecond laser machining» - OPTICS LETT. 2004, v. 29, p. 2671). Так в первой статье было сгенерировано терагерцовое излучение на рабочей частоте 1,1 ТГц с шириной спектральной линии 1000 ГГц. Во второй статье на рабочей частоте 0,32 ТГц с шириной спектральной линии 20 ГГц. При этом вектор поляризации возбуждающих лазерных импульсов был параллелен кристаллографической оси кристалла [001] ниобата лития.
Недостатком источников является значительное привлечение технических средств и относительно (предлагаемой в настоящем описании полезной модели) широкая спектральная линия излучения.
В третьей группе (iii) источников оптико-терагерцовый преобразователь выполнен в виде периодической структуры из тонких монокристаллических пластин ниобата лития, у которых направление кристаллографической оси [001] периодически меняется. Так в работе на англ. яз. авторов Y.-S. Lee et al. ((Generation of narrow-band terahertz radiation via optical rectification of femtosecond pulses in periodically poled lithium niobate» - APPL. PHYS. LETT. 2000, v. 76, p. 2505 в периодически поляризованной структуре из пластин монокристалла ниобата лития было сгенерировано терагерцовое излучение на рабочей частоте 1,7 ТГц с шириной спектральной линии 110 ГГц. Оптимизация длительности возбуждающего лазерного импульса позволяет достичь ширины спектральной линии 20 ГГц на рабочей частоте 0,5 ТГц (см. работу на англ. яз. авторов S. Carbajo et al. «Efficient narrowband terahertz generation in cryogenically cooled periodically poled lithium niobate» - OPTICS LETT. 2015, v. 40, p. 5765). Поляризация лазерных импульсов была параллельна кристаллографической оси [001] монокристаллических пластин ниобата лития.
Недостатком источников является малая входная апертура, трудоемкий процесс изготовления, низкие прочностные показатели и относительно (предлагаемой в настоящем описании полезной модели) широкая спектральная линия излучения.
В связи с тем, что физический механизм, обеспечивающий работоспособность предлагаемого источника узкополосного терагерцового излучения, основан на оптическом выпрямлении за счет нелинейного смешения спектральных компонент обыкновенной и необыкновенной волн, образованных после преломления возбуждающего лазерного луча на входной поверхности пластины монокристалла ниобата лития в условиях образования в этой пластине наведенной нелинейной поляризации с переменной полярностью, и выходит за рамки принципа действия источников терагерцового излучения, указанных в приведенных выше трех группах аналогов. Т.к. сравнение возможностей терагерцового излучения в них и в заявляемом источнике не корректно из-за базовых различий методов генерации узкополосного терагецового излучения (особенности физического механизма генерации узкополосного излучения с помощью предлагаемого источника см. ниже) в настоящем описании полезной модели выбрано раскрытие сущности предлагаемого источника терагерцового излучения в формуле полезной модели без прототипа.
Технический результат от использования предлагаемой полезной модели - разработка источника узкополосного терагерцового излучения, вырабатываемого в монокристалле ниобата лития в направлении распространения возбуждающих ультракоротких лазерных импульсов, в интервале технологически допустимых толщин указанного монокристалла, с эффективностью оптико-терагерцового преобразования (не менее 10-5), соответствующей оптимальным требованиям соотношения сигнал/шум, при суженной спектральной ширине линии излучения и повышенной технологичности изготовления указанного источника за счет предлагаемых структуры и состава этого источника.
Кроме того, предлагаемый источник расширяет перспективный арсенал аппаратного обеспечения актуального и востребованного узкополосного терагецового излучения.
Для достижения указанного технического результата предлагается источник узкополосного терагерцового излучения, содержащий фемтосекундный лазер с линейно поляризованным импульсным излучением, оптико-терагерцовый преобразователь, выполненный в виде пластины, сориентированной поверхностью одной из ее сторон с возможностью воздействия на нее лазерных импульсов и изготовленной из монокристалла ниобата лития с длиной прохождения лазерных импульсов в данном монокристалле, равной длине поглощения в нем терагерцового излучения на рабочей частоте для обеспечения в направлении распространения лазерных импульсов терагерцового выхода с повышенной узкополосностью в результате оптического выпрямления лазерных импульсов за счет нелинейного смешения спектральных компонент обыкновенной и необыкновенной волн, образованных после преломления возбуждающего лазерного луча на входной поверхности упомянутой пластины в условиях образования в монокристалле ниобата лития наведенной нелинейной поляризации с переменной полярностью, и прозрачный для терагерцового излучения поглотитель лазерного излучения, установленный после выходной поверхности упомянутой пластины.
Причем кристаллографическая ось [100] монокристалла ниобата лития лежит в плоскости входной поверхности пластины и образует угол 45° с направлением вектора поляризации возбуждающего лазерного луча, а кристаллографическая ось [001] этого монокристалла образует с входной поверхностью пластины угол, выбираемый из интервала 62-75°.
В частных случаях в предлагаемом источнике
для выработки терагерцового излучения с рабочей частотой 0,37 ТГц и шириной спектральной линии 6,7 ГГц при эффективности 1,9×105 в направлении распространения возбуждающих линейно поляризованных фемтосекундных лазерных импульсов с центральной длиной волны 1050 нм и длительностью 450 фс, пластина оптико-терагерцового преобразователя сориентирована поверхностью одной из ее сторон нормально к направлению распространения воздействующих на нее лазерных импульсов и изготовлена из монокристалла ниобата лития с линейным размером, задающим длину прохождения в нем указанных лазерных импульсов, равным Эмм, с кристаллографической осью [100], лежащей в плоскости входной поверхности указанной пластины и образующей угол 45° с направлением вектора поляризации возбуждающего лазерного луча, и с кристаллографической осью [001], направленной под углом 75° к входной поверхности этой же пластины, а поглотитель лазерного излучения выполнен в виде пластины, изготовленной из высокоомного кремния;
для выработки терагерцового излучения с рабочей частотой 0,5 ТГц и шириной спектральной линии 11,6 ГГц при эффективности 1,7×105 в направлении распространения возбуждающих линейно поляризованных фемтосекундных лазерных импульсов с центральной длиной волны 1050 нм и длительностью 350 фс, пластина оптико-терагерцового преобразователя сориентирована поверхностью одной из ее сторон нормально к направлению распространения воздействующих на нее лазерных импульсов и изготовлена из монокристалла ниобата лития с линейным размером, задающим длину прохождения в нем указанных лазерных импульсов, равным 5 мм, с кристаллографической осью [100], лежащей в плоскости входной поверхности указанной пластины и образующей угол 45° с направлением вектора поляризации возбуждающего лазерного луча, и с кристаллографической осью [001], направленной под углом 72,5° к входной поверхности этой же пластины, а поглотитель лазерного излучения выполнен в виде пластины, изготовленной из высокоомного кремния;
для выработки терагерцового излучения с рабочей частотой 1,2 ТГц и шириной спектральной линии 64 ГГц при эффективности 1×105 в направлении распространения возбуждающих линейно поляризованных фемтосекундных лазерных импульсов с центральной длиной волны 1050 нм и длительностью 140 фс, пластина оптико-терагерцового преобразователя сориентирована поверхностью одной из ее сторон нормально к направлению распространения воздействующих на нее лазерных импульсов и изготовлена из монокристалла ниобата лития с линейным размером, задающим длину прохождения в нем указанных лазерных импульсов, равным 0,8 мм, с кристаллографической осью [100], лежащей в плоскости входной поверхности указанной пластины и образующей угол 45° с направлением вектора поляризации возбуждающего лазерного луча, и с кристаллографической осью [001], направленной под углом 62° к входной поверхности этой же пластины, а поглотитель лазерного излучения выполнен в виде пластины, изготовленной из высокоомного кремния.
Известный источник узкополосного терагерцового излучения на основе генерации разностной частоты при облучении монокристалла ниобата лития двумя лазерными импульсами наносекундной длительности с близкими частотами (см. работу на англ. яз. авторов Т. Akiba «Terahertz wave generation using type II phase matching polarization combination via difference frequency generation with LiNbO3» - JAP. J. APPL. PHYS. 2015, v. 54, p. 062202), в состав которого входят два наносекундных импульсных лазера и оптико-терагерцовый преобразователь, выполненный на основе монокристалла ниобата лития (в котором в виду относительно большой длительности лазерного импульса нельзя достичь большой оптической интенсивности, что влияет на эффективность оптико-терагерцового преобразования, которая составляет величину ~10-9) не противоречит новизне предлагаемого источника узкополосного терагерцового излучения, т.к. в этом известном источнике узкополосного терагерцового излучения используются иные источники лазерного излучения в сочетании с монокристаллом ниобата лития, функционирующем в качестве оптико-терагерцового преобразователя на основе генерации разностной частоты, иной в сравнении с генерацией узкополосного терагерцового излучения в предлагаемом источнике, основанной на оптическом выпрямлении.
На фиг. 1а схематически показан предлагаемый источник узкополосного терагерцового излучения; на фиг. 1б - оптико-терагерцовый преобразователь в составе источника на фиг. 1а; на фиг. 2 - схема облучения фемтоскундным лазерным импульсом монокристалла ниобата лития при функционировании предлагаемого источника; на фиг. 3 - зависимость рабочей частоты предлагаемого источника от угла, образуемого кристаллографической осью [001] монокристалла ниобата лития, из которого выполнена пластина оптико-терагерцового преобразователя, с ее входной поверхностью; на фиг. 4 - нормированная спектральная плотность мощности терагерцового излучения предлагаемого источника; на фиг 5а - зависимость длины поглощения терагерцового излучения в монокристалле ниобата лития от рабочей частоты предлагаемого источника; на фиг. 5б - зависимость эффективности оптико-терагерцового преобразования и оптимальной длительности лазерного импульса от угла, образуемого кристаллографической осью [001] монокристалла ниобата лития, из которого выполнена пластина оптико-терагерцового преобразователя, с ее входной поверхностью.
Предлагаемый источник терагерцового излучения содержит (см. фиг. 1а): фемтосекундный лазер 1, поглотитель лазерного излучения 2, выполненный в виде пластины, изготовленной из высокоомного кремния, и оптико-терагерцовый преобразователь, выполненный в виде пластины 3, изготовленной из монокристалла ниобата лития. Поверхности ABCD и A1B1C1D1 пластины 3 монокристалла ниобата лития оптико-терагерцового преобразователя оптически полированы (см. рис. 1б).
В примерах выполнения предлагаемого источника узкополосного терагерцового излучения для выработки терагерцового излучения с рабочей частотой 0,37 ТГц, 0,5 ТГц и 1,2 ТГц и шириной спектральной линии 6,7 ГГц, 11,6 ГГц и 64 ГГц при эффективности 1,9×10-5, 1,7×10-5 и 1×10-5 в направлении распространения линейно поляризованных возбуждающих фемтосекундных лазерных импульсов с центральной длиной волны 1050 нм и длительностью 450 фс, 350 фс и 140 фс, пластина 3 оптико-терагерцового преобразователя сориентирована своей входной поверхностью нормально к направлению распространения воздействующих на нее лазерных импульсов и изготовлена из монокристалла ниобата лития, имеющего линейный размер, задающий длину прохождения в нем указанных лазерных импульсов, равный 9 мм, 5 мм и 0,8 мм, с кристаллографической осью [100] монокристалла ниобата лития, лежащей в плоскости входной поверхности пластины 3 и образующей угол 45° с направлением вектора поляризации возбуждающего лазерного луча, и с кристаллографической осью [001] этого монокристалла, направленной под углом θ=75°, 72,5° и 62° к входной поверхности этой же пластины (см. фиг. 1а и 2).
Предлагаемый источник терагерцового излучения работает следующим образом.
Линейно поляризованные фемтосекундные лазерные импульсы от фемтосекундного лазера 1 падают на входную поверхность ABCD пластины 3 монокристалла ниобата лития оптико-терагерцового преобразователя (см. фиг 1б и 2), причем монокристалл ниобата лития сориентирован таким образом, что вектор поляризации возбуждающего луча лазерного импульса образует угол 45° с кристаллографической осью [100], лежащей в плоскости входной поверхности указанной пластины, а кристаллографическая ось [001] этого же монокристалла направлена под углом θ, выбираемым интервала 62°-75°.
После вхождения в монокристалл ниобата лития лазерный импульс разделяется на суперпозицию импульсов обыкновенной и необыкновенной волны (см. фиг. 1а и 2). В результате нелинейного смешения спектральных компонент волн в монокристалле ниобата лития наводится нелинейная поляризация, которая одновременно излучает терагерцовое излучение в направлении распространения лазерных импульсов и в направлении, обратном указанному распространению, с преобладанием эффективности излучения в направлении распространения лазерных импульсов. После выхода из грани A1B1C1D1 пластины 3 указанное преобладающее терагерцовое излучение проходит через поглотитель лазерного излучения 2 с минимальными потерями и выводится в свободное пространство для рабочего использования. При этом лазерное излучение полностью поглощается поглотителем 2.
Раскрытию физического механизма, обеспечивающего работоспособность предлагаемого источника узкополосного терагерцового излучения, вырабатываемого в монокристалле ниобата лития в направлении распространения возбуждающих ультракоротких лазерных импульсов, служит следующее физико-расчетное обоснование.
В качестве фемтосекундного лазера 1 рассмотрим эрбиевый лазер с центральной длиной волны 1,05 мкм, импульсы которого поступают (под углом 90°) на входную поверхность пластины 3 монокристалла ниобата лития (см. фиг. 2.). Импульсы распространяются вдоль оси х, вектор поляризации которых образуют угол 45° с кристаллографической осью [100] монокристалла ниобата лития.
Рассмотрим одномерную модель с гауссовой огибающей напряженности электрического поля - электрическое поле лазерного импульса считается симметричным по отношению к осям у, z и на входе в пластину напряженность электрического поля имеет вид следующей формулы
Figure 00000001
ω0=2π/сλ,
где Е0 - амплитуда напряженности возбуждающего электрического поля лазерного импульса,
λ - центральная длина волны возбуждающего лазерного импульса,
с - скорость света в вакууме;
τ - длительность возбуждающего лазерного импульса.
При преломлении на входной границе пластины 3 лазерный импульс разделяется на суперпозицию импульсов обыкновенной и необыкновенной волн.
Выбор указанного угла 45° с кристаллографической осью [100] монокристалла ниобата лития определился в виду равенства амплитуд импульсов указанных обыкновенной и необыкновенной волн, что обеспечивает наибольшее значение нелинейной поляризации и, следовательно, связанной с ней эффективности оптико-терагерцового преобразования (которая является первой составной частью - вкладом в эффективность искомого оптико-терагерцового преобразования, не менее 10-5, соответствующую оптимальным требованиям соотношения сигнал/шум и складывающуюся из этой первой части и из второй составной части, обусловленной предлагаемым интервалом угла θ в связи с излагаемым ниже обоснованием).
В результате нелинейного смешивания спектральных компонент данных волн возникает нелинейная поляризация, которая может быть записана в виде следующей формулы
Figure 00000002
где ξ=t-n'x/с,
Figure 00000003
, Δn=no-ne и L=2сτ/Δn' с
Figure 00000004
. no, n'o и ne, n'e - индексы преломления и групповые индексы обыкновенной и необыкновенной волн при заданном угле θ, εо - диэлектрическая проницаемость вакуума, χeƒƒ=χ15cosϑ+χ22sinϑ - эффективный нелинейный коэффициент, χ15 и χ22 - нелинейные коэффициенты кристалла ниобата лития.
Из формулы (2) следует, что наведенная в монокристалле ниобата лития нелинейная поляризация знакопеременна с периодом λ/Δn.
Для нахождения спектральной плотности мощности терагерцового излучения решим волновое уравнение в Фурье пространстве с источником в виде нелинейной поляризации (см. формулу 2) в трех однородных областях: полупространство х<0, монокристалл ниобата лития и полупространство x>d, где d - толщина указанного монокристалла, равная длине прохождения возбуждающих ультракоротких лазерных импульсов в данном монокристалле. После чего возьмем обратное преобразование Фурье.
Из решения следует существование двух терагерцовых волн: одна распространяется в направлении лазерных импульсов, другая в обратном направлении.
Рассмотрим волну, которая распространяется в направлении лазерных импульсов. Частота волны задана формулой
Figure 00000005
где nt - индекс преломления на рабочей терагерцовой частоте Ωf/2π.
Таким образом, рабочая частота источника Ωf/2π задается изменение угла θ в виду зависимости от него необыкновенного группового индекса и индекса преломления лазерного излучения, входящих в n' и Δn.
На фиг. 3 построена зависимость рабочей частоты Ωf/2π источника узкополосного терагерцового излучения от угла θ. Например, генерации на рабочей частоте Ωf/2π=0,5 ТГц соответствует угол θ=72,5°
Формула для спектральной плотности мощности S(Ω) в зависимости от терагерцовой частоты Ω
Figure 00000006
Figure 00000007
Figure 00000008
Figure 00000009
Figure 00000010
где
Figure 00000011
Figure 00000012
Figure 00000013
k=Ωnt/c,
где Ф - функция ошибок.
На фиг. 4 представлена нормированная спектральная плотность мощности терагерцового излучения, рассчитанная согласно формуле 4 при интенсивности накачки 100 ГВт/см2, толщине монокристалла ниобата лития d=5 мм, угле θ=72,5° и длительности τ=350 фс. Для указанных параметров источник узкополосного терагерцового излучения будет излучать терагерцовое излучение на рабочей частоте Ωf/2π=0,5 ТГц с шириной спектральной линии на уровне половины высоты - 11,6 ГГц.
Для подтверждения сужения спектральной линии излучения предлагаемого источника сравним полученные характеристики терагерцового излучения с источником на основе периодически поляризованного кристалла ниобата лития (см. статью на англ. яз. авторов S. Carbajo et al. «Efficient narrowband terahertz generation in cryogenically cooled periodically poled lithium niobate» - OPTICS LETT. 2015, v. 40, p. 5765). В указанной статье ширина спектральной линии 19,8 ГГц на рабочей частоте 0,513 ТГц, что практически в два раз шире, чем ширина спектральной линии 11,6 ГГц предлагаемого источника на той же рабочей частоте.
В результате расчета было найдено, что для обеспечения генерации узкополосного терагерцового излучения, вырабатываемого в монокристалле ниобата лития в направлении распространения возбуждающих ультракоротких лазерных импульсов, толщина монокристалла d должна быть равна длине поглощения La на рабочей терагерцовой частоте Ωf/2π
Figure 00000014
Для определения толщины монокристалла ниобата лития d=La при различных рабочих частотах Ωf/2π терагерцового излучения построена зависимость длины поглощения La от рабочей терагерцовой частоты Ωf/2π, показанная на фиг. 5а.
Также в результате расчета было найдено, что оптимальная длительность τopt возбуждающих фемтосекундных лазерных импульсов (соответствующая максимальной эффективности оптико-терагерцового преобразования) может быть выбрана согласно зависимости от угла θ на фиг. 5б (см. пунктирную кривую).
Интегрируя формулу 4 по терагерцовой частоте Ω найдем эффективность оптико-терагерцового преобразования. На фиг. 5б сплошной кривой представлена зависимость эффективности оптико-терагерцового преобразования в направлении распространения лазерных импульсов от угла θ при указанной ранее оптимальной длительности импульса и толщине монокристалла ниобата лития и интенсивности накачки 100 ГВт/см2.
Эффективность (не менее 10-5), отвечающая оптимальным требованиям соотношения сигнал/шум, при которых будет достигаться стабильная работоспособность источника узкополосного излучения, вырабатываемого в монокристалле ниобата лития в направлении распространения возбуждающих ультракоротких лазерных импульсов соответствует диапазону углов θ (62°-75°), что в свою очередь соответствует диапазону рабочих частот Ωf/2π от 1,2 до 0,37 ТГц.
При выходе из указанного диапазона в сторону уменьшения угла θ упомянутая эффективность резко уменьшается - при отклонении на 5° эффективность уменьшается на 20% и при выходе из указанного диапазона в сторону увеличения угла θ превышается технологически допустимая толщина d монокристалла ниобата лития, равная в расчетном обосновании 10 мм.
Изложенное обоснование в развернутом виде будет опубликовано в статье на англ яз. авторов Е.A. Mashkovich, S.A. Sychugin and М.I. Bakunov «Generation of narrowband terahertz radiation by an ultrashort laser pulse in a bulk LiNbO3 crystal» в журнале Optics Letters, в который указанная статья поступила в начале марта 2017 г.
В настоящее время проводится подготовка испытаний экспериментальных образцов предлагаемого источника узкополосного терагерцового излучения.
Таким образом, изложенное выше обоснование, работающее для фемтосекундных лазеров и с другими центральными длинами волн, подтверждает выработку узкополосного терагерцового излучения в монокристалле ниобата лития в направлении распространения возбуждающих ультракоротких лазерных импульсов, в интервале технологически допустимых толщин указанного монокристалла, с эффективностью оптико-терагерцового преобразования (не менее 10-5), соответствующей оптимальным требованиям соотношения сигнал/шум, при суженной спектральной ширине линии излучения указанного источника за счет изложенных структуры и состава этого источника, а простота конструкции последнего минимизирует использование технических средств.

Claims (4)

1. Источник узкополосного терагерцового излучения, содержащий фемтосекундный лазер с линейно поляризованным импульсным излучением, оптико-терагерцовый преобразователь, выполненный в виде пластины, сориентированной поверхностью одной из ее сторон с возможностью воздействия на нее лазерных импульсов и изготовленной из монокристалла ниобата лития с длиной прохождения лазерных импульсов в данном монокристалле, равной длине поглощения в нем терагерцового излучения на рабочей частоте для обеспечения в направлении распространения лазерных импульсов терагерцового выхода с повышенной узкополосностью в результате оптического выпрямления лазерных импульсов за счет нелинейного смешения спектральных компонент обыкновенной и необыкновенной волн, образованных после преломления возбуждающего лазерного луча на входной поверхности упомянутой пластины в условиях образования в монокристалле ниобата лития наведенной нелинейной поляризации с переменной полярностью, и прозрачный для терагерцового излучения поглотитель лазерного излучения, установленный после выходной поверхности упомянутой пластины, причем кристаллографическая ось [100] монокристалла ниобата лития лежит в плоскости входной поверхности пластины и образует угол 45° с направлением вектора поляризации возбуждающего лазерного луча, а кристаллографическая ось [001] этого монокристалла образует с входной поверхностью пластины угол, выбираемый из интервала 62-75°.
2. Источник узкополосного терагерцового излучения по п. 1, отличающийся тем, что для выработки терагерцового излучения с рабочей частотой 0,37 ТГц и шириной спектральной линии 6,7 ГГц при эффективности 1,9×10-5 в направлении распространения возбуждающих линейно поляризованных фемтосекундных лазерных импульсов с центральной длиной волны 1050 нм и длительностью 450 фс, пластина оптико-терагерцового преобразователя сориентирована поверхностью одной из ее сторон нормально к направлению распространения воздействующих на нее лазерных импульсов и изготовлена из монокристалла ниобата лития с линейным размером, задающим длину прохождения в нем указанных лазерных импульсов, равным 9 мм, с кристаллографической осью [100], лежащей в плоскости входной поверхности указанной пластины и образующей угол 45° с направлением вектора поляризации возбуждающего лазерного луча, и с кристаллографической осью [001], направленной под углом 75° к входной поверхности этой же пластины, а поглотитель лазерного излучения выполнен в виде пластины, изготовленной из высокоомного кремния.
3. Источник узкополосного терагерцового излучения по п. 1, отличающийся тем, что для выработки терагерцового излучения с рабочей частотой 0,5 ТГц и шириной спектральной линии 11,6 ГГц при эффективности 1,7×10-5 в направлении распространения возбуждающих линейно поляризованных фемтосекундных лазерных импульсов с центральной длиной волны 1050 нм и длительностью 350 фс, пластина оптико-терагерцового преобразователя сориентирована поверхностью одной из ее сторон нормально к направлению распространения воздействующих на нее лазерных импульсов и изготовлена из монокристалла ниобата лития с линейным размером, задающим длину прохождения в нем указанных лазерных импульсов, равным 5 мм, с кристаллографической осью [100], лежащей в плоскости входной поверхности указанной пластины и образующей угол 45° с направлением вектора поляризации возбуждающего лазерного луча, и с кристаллографической осью [001], направленной под углом 72,5° к входной поверхности этой же пластины, а поглотитель лазерного излучения выполнен в виде пластины, изготовленной из высокоомного кремния.
4. Источник узкополосного терагерцового излучения по п. 1, отличающийся тем, что для выработки терагерцового излучения с рабочей частотой 1,2 ТГц и шириной спектральной линии 64 ГГц при эффективности 1×10-5 в направлении распространения возбуждающих линейно поляризованных фемтосекундных лазерных импульсов с центральной длиной волны 1050 нм и длительностью 140 фс пластина оптико-терагерцового преобразователя сориентирована поверхностью одной из ее сторон нормально к направлению распространения воздействующих на нее лазерных импульсов и изготовлена из монокристалла ниобата лития с линейным размером, задающим длину прохождения в нем указанных лазерных импульсов, равным 0,8 мм, с кристаллографической осью [100], лежащей в плоскости входной поверхности указанной пластины и образующей угол 45° с направлением вектора поляризации возбуждающего лазерного луча, и с кристаллографической осью [001], направленной под углом 62° к входной поверхности этой же пластины, а поглотитель лазерного излучения выполнен в виде пластины, изготовленной из высокоомного кремния.
RU2017109757U 2017-03-24 2017-03-24 Источник узкополосного терагерцового излучения, вырабатываемого в монокристалле ниобата лития в направлении распространения возбуждающих ультракоротких лазерных импульсов RU175819U1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017109757U RU175819U1 (ru) 2017-03-24 2017-03-24 Источник узкополосного терагерцового излучения, вырабатываемого в монокристалле ниобата лития в направлении распространения возбуждающих ультракоротких лазерных импульсов

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017109757U RU175819U1 (ru) 2017-03-24 2017-03-24 Источник узкополосного терагерцового излучения, вырабатываемого в монокристалле ниобата лития в направлении распространения возбуждающих ультракоротких лазерных импульсов

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU175819U1 true RU175819U1 (ru) 2017-12-20

Family

ID=60719178

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017109757U RU175819U1 (ru) 2017-03-24 2017-03-24 Источник узкополосного терагерцового излучения, вырабатываемого в монокристалле ниобата лития в направлении распространения возбуждающих ультракоротких лазерных импульсов

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU175819U1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2811419C2 (ru) * 2018-12-18 2024-01-11 Айпиджи Фотоникс Корпорэйшн Нелинейный оптический элемент с квазинепрерывной схемой и способ его изготовления

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130294467A1 (en) * 2007-10-15 2013-11-07 Jerome V. Moloney Laser-based source for terahertz and millimeter waves
US20150316832A1 (en) * 2014-04-30 2015-11-05 Canon Kabushiki Kaisha Terahertz-wave generation device and measurement apparatus including the same
RU2574518C1 (ru) * 2014-11-11 2016-02-10 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородский государственный университет им. Н.И.Лобачевского " Оптико-терагерцовый преобразователь с черенковским излучением

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130294467A1 (en) * 2007-10-15 2013-11-07 Jerome V. Moloney Laser-based source for terahertz and millimeter waves
US20150316832A1 (en) * 2014-04-30 2015-11-05 Canon Kabushiki Kaisha Terahertz-wave generation device and measurement apparatus including the same
RU2574518C1 (ru) * 2014-11-11 2016-02-10 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородский государственный университет им. Н.И.Лобачевского " Оптико-терагерцовый преобразователь с черенковским излучением

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Sergio Carbajo и др. "Efficient narrowband terahertz generation in cryogenically cooled periodically poled lithium niobate", OPTICS LETTERS, т. 40, No 24, 2015 г., стр. 5762 - 5765. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2811419C2 (ru) * 2018-12-18 2024-01-11 Айпиджи Фотоникс Корпорэйшн Нелинейный оптический элемент с квазинепрерывной схемой и способ его изготовления

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Hebling et al. High-power THz generation, THz nonlinear optics, and THz nonlinear spectroscopy
Kawase et al. Coherent tunable THz‐wave generation from LiNbO3 with monolithic grating coupler
Jullien et al. Highly efficient temporal cleaner for femtosecond pulses based on cross-polarized wave generation in a dual crystal scheme
Wang et al. Energy scaling and extended tunability of a ring cavity terahertz parametric oscillator based on KTiOPO4 crystal
RU175818U1 (ru) Источник узкополосного терагерцового излучения, вырабатываемого в монокристалле ниобата лития в направлении, обратном распространению возбуждающих ультракоротких лазерных импульсов
RU175819U1 (ru) Источник узкополосного терагерцового излучения, вырабатываемого в монокристалле ниобата лития в направлении распространения возбуждающих ультракоротких лазерных импульсов
RU2655469C1 (ru) Способ генерации узкополосного терагерцового излучения (варианты)
Darmo et al. Quasi phase-matched terahertz detector
Kolker et al. A nanosecond optical parametric oscillator in the mid-IR region with double-pass pump
Haglund et al. Picosecond optical switching in silicon photonics using phase-changing vanadium dioxide
Lee Generation and detection of broadband terahertz pulses
Demirbas et al. Two-dimensional effects in Multicycle THz generation with tunable pump pulse trains in lithium niobate
Kitaeva et al. Generation and detection of terahertz radiation by means of periodically and aperiodically poled crystals
Hecht How the laser launched nonlinear optics
Du et al. Absorption measurement of a 50-mm-long periodically poled lithium niobate optical parametric oscillator pumped at 1064 nm by a Nd: YAG laser
CN114361915B (zh) 多周期太赫兹脉冲的产生装置和产生方法
Zhong et al. Tunable and coherent nanosecond 7.2–12.2 μm mid-infrared generation based on difference frequency mixing in ZnGeP2 crystal
Aleshkin et al. Tunable source of terahertz radiation based on the difference-frequency generation in a GaP crystal
Nugraha Investigation of scalable concepts for intense terahertz pulse generation
Matoba et al. Generation of Intense Terahertz Pulses with Longitudinal Electric fields
McCracken et al. Brewster mirror ultrafast optical parametric oscillator with high precision wavelength tuning
Ku et al. A wide range thz pulses generation in znte crystals
Donin et al. Parametric generation in a PPLN crystal pumped by a Q-switched mode-locked Nd: YAG laser: comparison of the superluminescent and singly resonant operation regimes
Bodrov et al. Cherenkov-type terahertz generation by optical rectification in KD2PO4 (DKDP) crystal
Coetzee et al. Efficient Backward-Wave Optical Parametric Oscillator with 500 nm-periodicity PPRKTP

Legal Events

Date Code Title Description
MM9K Utility model has become invalid (non-payment of fees)

Effective date: 20190325