RU2697879C1 - Femtosecond optoelectronic system for measuring the field of thz pulses obtained using an electron accelerator - Google Patents

Femtosecond optoelectronic system for measuring the field of thz pulses obtained using an electron accelerator Download PDF

Info

Publication number
RU2697879C1
RU2697879C1 RU2018129536A RU2018129536A RU2697879C1 RU 2697879 C1 RU2697879 C1 RU 2697879C1 RU 2018129536 A RU2018129536 A RU 2018129536A RU 2018129536 A RU2018129536 A RU 2018129536A RU 2697879 C1 RU2697879 C1 RU 2697879C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
thz
pulses
optical
femtosecond
sequence
Prior art date
Application number
RU2018129536A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Михаил Николаевич Есаулков
Александр Викторович Конященко
Илья Игоревич Курицын
Алексей Олегович Маврицкий
Антон Владимирович Таусенев
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "АВЕСТА" (ООО "АВЕСТА")
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 Общество с ограниченной ответственностью "АВЕСТА" (ООО "АВЕСТА") filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "АВЕСТА" (ООО "АВЕСТА")
Priority to RU2018129536A priority Critical patent/RU2697879C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2697879C1 publication Critical patent/RU2697879C1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/42—Absorption spectrometry; Double beam spectrometry; Flicker spectrometry; Reflection spectrometry
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating

Abstract

FIELD: instrument engineering.
SUBSTANCE: invention relates to a femtosecond laser-based device for recording amplitude and phase of pulsed THz radiation generated by electron beams of subpicosecond duration, which are generated by an elementary particle accelerator. Proposed femtosecond optoelectronic system for measuring the THz field of pulses comprises a high-power pulsed THz radiation source, based on an electron accelerator, an optical system for delivering THz radiation to a sample, a femtosecond laser emitter with a pulse selector synchronized by pulse repetition rate with a THz radiation source owing to use of a phase-locked loop, an optical delay line which enables to control the relative delay between THz pulses and pulses of a femtosecond emitter, as well as a broad-band THz radiation receiver, sensitive to the value of the electric field of THz pulses transmitted to it and operating due to nonlinear-optical interaction of the detected THz pulses and pulses of a femtosecond emitter. Registration of measurement data, their processing and obtaining of THz spectra of passage of samples is carried out using a computer which controls other subsystems of the system.
EFFECT: possibility of performing measurements using THz spectroscopy with high time resolution owing to recording amplitude and phase transmission spectra of analyzed samples irradiated with pulsed THz radiation of high energy.
7 cl, 1 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION

Данное изобретение относится к фемтосекундному лазерному устройству регистрации амплитуды и фазы импульсного ТГц излучения, генерируемого при помощи электронных пучков субпикосекундной длительности, формируемых ускорителем элементарных частиц.This invention relates to a femtosecond laser device for detecting the amplitude and phase of a pulsed THz radiation generated by electron beams of subpicosecond duration generated by an elementary particle accelerator.

Уровень техникиState of the art

В настоящее время большое количество применений находят стационарные ускорители элементарных частиц, способные формировать сгустки заряженных элементарных частиц с малой (менее пикосекунды) длительностью, в частности, электронные ускорители линейного и циклического типа. Получаемые при помощи таких машин сгустки электронов, среди прочего, могут быть использованы для генерации интенсивного широкополосного излучения в ТГц диапазоне длин волн. Наиболее актуальными задачами, для решения которых оно может применяться, являются: импульсная ТГц спектроскопия с временным разрешением, ТГц томография и визуализация биологических объектов, визуализация процессов, протекающих в низкоплотной плазме, удаленное зондирование газовых сред на предмет наличия органических соединений.At present, stationary atomic particle accelerators capable of forming clumps of charged elementary particles with short (less than picosecond) duration, in particular, linear and cyclic electron accelerators, find a large number of applications. Electron bunches obtained by such machines can, among other things, be used to generate intense broadband radiation in the THz wavelength range. The most urgent tasks for which it can be applied are: pulsed THz spectroscopy with time resolution, THz tomography and visualization of biological objects, visualization of processes occurring in a low-density plasma, remote sensing of gaseous media for the presence of organic compounds.

Важной проблемой при использовании широкополосного импульсного ТГц излучения для проведения измерений с высоким разрешением по времени является выбор комбинации подходящего метода регистрации, позволяющего зафиксировать амплитуду и фазу поля ТГц импульсов, одновременно обеспечивая достаточную ширину спектральной полосы регистрации, и метода генерации, позволяющего получить ТГц импульсы с достаточной величиной поля и частотным составом, укладывающимся в спектральную полосу метода регистрации. Для реализации метода импульсной ТГц спектроскопии с временным разрешением известны различные конструкции спектрометров, в той или иной мере решающие обозначенную проблему.An important problem when using broadband pulsed THz radiation for high-resolution time measurements is the choice of a combination of a suitable registration method, which allows one to fix the amplitude and phase of the THz pulse field, while simultaneously providing a sufficient spectral bandwidth for recording, and a generation method, which allows obtaining THz pulses with a sufficient field magnitude and frequency composition that fit into the spectral band of the registration method. To implement the method of pulsed THz spectroscopy with time resolution, various designs of spectrometers are known that to one degree or another solve the indicated problem.

В патенте США № 0179528А1 (опубл. 31.07.2008) описана общая схема ТГц спектрометра, работающего в отражательном режиме и реализованная при помощи пары фотопроводящих антенн и фемтосекундного лазерного генератора. Факт использования лазерного генератора с частотой следования импульсов порядка 100 МГц обнажает основной недостаток подобной схемы - малую энергию импульсов ТГц излучения, получаемую несмотря на достаточно высокую эффективность (10-3) преобразования энергии оптического импульса в энергию ТГц импульсов. Причиной данного обстоятельства является невозможность генерации оптических импульсов с энергией более 100 нДж при помощи только лазерного генератора, а также ограниченная лучевая стойкость и эффект фотонасыщения, характерные для фотопроводящих антенн.In US patent No. 0179528A1 (published on July 31, 2008) a general scheme of a THz spectrometer operating in reflective mode and implemented using a pair of photoconductive antennas and a femtosecond laser generator is described. The fact of using a laser generator with a pulse repetition rate of the order of 100 MHz reveals the main drawback of this scheme - the low energy of the THz pulses, obtained despite the relatively high efficiency (10 -3 ) of converting the energy of the optical pulse into the energy of THz pulses. The reason for this circumstance is the impossibility of generating optical pulses with an energy of more than 100 nJ using only a laser generator, as well as the limited radiation resistance and the photo-saturation effect characteristic of photoconductive antennas.

В патенте РФ № 105738U1 (опубл. 20.06.2011) раскрыта система, аналогичная указанной выше, с той разницей, что в качестве генератора и приемника ТГц излучения используются электрооптические кристаллы, оптимизированные под нелинейно-оптическое выпрямление лазерных импульсов с центральной длиной волны спектра 775 нм, а сам ТГц спектрометр построен по схеме на пропускание. В качестве исходного источника также используется фемтосекундный лазер, излучение которого разделяется на два пучка: пучок накачки кристалла-генератора и стробирующий пучок для кристалла-детектора. Внесение дискретно изменяемой задержки между импульсами в двух пучках позволяет записать профиль поля ТГц импульса, прошедшего через исследуемый образец, и при помощи Фурье-преобразования получить информацию о его спектральной фазе и амплитуде, характеризующую образец. Несмотря на то, что электрооптические кристаллы в качестве детекторов и генераторов ТГц излучения способны работать при более высоких значениях энергии оптических импульсов, нежели фотопроводящие антенны, энергия получаемых ТГц импульсов обычно не превышает таковую для фотопроводящих антенн и составляет не более 10-100 нДж даже при условии использования лазерной усилительной системы для их возбуждения.RF patent No. 105738U1 (publ. 06/20/2011) discloses a system similar to the above, with the difference that electro-optical crystals optimized for nonlinear optical rectification of laser pulses with a central wavelength of the spectrum of 775 nm are used as a generator and a receiver of THz radiation and the THz spectrometer itself is built according to the transmission scheme. A femtosecond laser is also used as an initial source, the radiation of which is divided into two beams: a pump beam of a crystal-generator and a gating beam for a crystal-detector. The introduction of a discretely variable delay between pulses in two beams makes it possible to record the field profile of the THz pulse passing through the sample under study, and using the Fourier transform to obtain information on its spectral phase and amplitude characterizing the sample. Despite the fact that electro-optical crystals as detectors and generators of THz radiation are capable of operating at higher optical pulse energies than photoconductive antennas, the energy of the obtained THz pulses usually does not exceed that for photoconductive antennas and is no more than 10-100 nJ even under the condition use of a laser amplification system to excite them.

В описании на полезную модель для патента РФ № 145104U1 (опубл. 10.09.2014) приведена конструкция спектрометра, имеющего в качестве источника излучения ТГц лазер с импульсной накачкой CO2-лазером, что позволяет значительно увеличить среднюю мощность полезного излучения (типичная выходная мощность коммерчески доступных непрерывных ТГц лазеров составляет 150-200 мВт), доступную для проведения измерений. В качестве приемника излучения предлагается использование детектора на оптоакустическом эффекте (ячейка Голея). Главным недостатком такой схемы является ограниченность доступного спектрального диапазона вследствие узости спектральной линии ТГц лазера, которая не может быть в полной мере компенсирована возможностями перестройки его длины волны. Этот же фактор определяет возможность использования интегрального детектора с временем реакции порядка десятков микросекунд, физический принцип функционирования которого не позволяет добиться чувствительности этого прибора к фазе электрического поля ТГц импульса.The description of the utility model for RF patent No. 145104U1 (publ. September 10, 2014) shows the design of a spectrometer having a THz laser with a pulsed CO 2 laser as a radiation source, which can significantly increase the average useful radiation power (typical output power of commercially available continuous THz lasers is 150-200 mW), available for measurements. The use of a detector based on the optoacoustic effect (Golei cell) is proposed as a radiation receiver. The main drawback of such a scheme is the limited available spectral range due to the narrow spectral line of the THz laser, which cannot be fully compensated by the possibilities of tuning its wavelength. The same factor determines the possibility of using an integrated detector with a reaction time of the order of tens of microseconds, the physical principle of functioning of which does not allow to achieve sensitivity of this device to the phase of the electric field of a THz pulse.

Наиболее близкий аналог предлагаемого комплекса описан в патенте РФ № 2650698 (опубл. 17.04.2016), где раскрыто устройство для ТГц спектроскопии, использующего в качестве источника излучения импульсный лазер на свободных электронах. Перестраиваемое по длине волны излучение лазера на свободных электронах подается на пару расположенных друг за другом параллельных пропускающих дифракционных решеток, в результате чего исходный пучок разделяется на два параллельных пучка: для накачки и зондирования образца. Пучки имеют независимые оптические пути, разница длин которых может изменяться управляемым образом при помощи прецизионной линии задержки, снабженной шаговым двигателем. Оптические пути двух пучков пересекаются в некотором объеме образца, после чего зондирующий пучок подается на детектор, выполненный в виде ячейки Голея, а пучок накачки поглощается. Изменение относительной временной задержки между импульсами, возникающее за счет линии задержки, позволяет за счет измерения коэффициента поглощения зондирующего пучка зафиксировать временную динамику релаксации молекулярного перехода в образце, возбуждаемого излучением накачки.The closest analogue of the proposed complex is described in RF patent No. 2650698 (publ. 04/17/2016), where a device for THz spectroscopy using a free-electron pulsed laser as a radiation source is disclosed. The free-electron laser tunable along the wavelength is supplied to a pair of parallel transmitting diffraction gratings located one after another, as a result of which the initial beam is divided into two parallel beams: for pumping and probing the sample. The beams have independent optical paths, the length difference of which can be controlled in a controlled manner using a precision delay line equipped with a stepper motor. The optical paths of the two beams intersect in a certain volume of the sample, after which the probe beam is fed to a detector made in the form of a Golay cell, and the pump beam is absorbed. A change in the relative time delay between pulses arising from the delay line allows one to fix the temporal dynamics of relaxation of the molecular transition in the sample excited by pump radiation by measuring the absorption coefficient of the probe beam.

Существенным недостатком данного известного устройства является то, что реализуемый им метод исследования ограничивается спектроскопией насыщения. Узость спектральной полосы излучения накачки также приводит к необходимости предпринимать дополнительные меры, предотвращающие разъюстировку спектрометра при перестройке длины волны ТГц источника на другое значение, в частности - использовать две дифракционные решетки, отклоняющие существенную часть исходной мощности источника в стороны, что эквивалентно снижению эффективности спектрометра.A significant disadvantage of this known device is that its research method is limited to saturation spectroscopy. The narrowness of the spectral band of the pump radiation also leads to the need to take additional measures to prevent the alignment of the spectrometer when the wavelength of the THz source is tuned to another value, in particular, to use two diffraction gratings that deflect a significant part of the source power to the sides, which is equivalent to a decrease in the spectrometer efficiency.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Таким образом, имеется необходимость в создании устройства, комбинирующего достоинства электронного источника ТГц излучения, например, импульсного лазера на свободных электронах, с возможностями метода широкополосной ТГц спектроскопии методом накачки зондирования, что позволило бы преодолеть недостатки ближайшего аналога, т.е. дало бы возможность получать не только амплитудные, но и фазовые спектры пропускания исследуемых образцов в широком спектральном диапазоне, а также производить спектроскопические измерения как в насыщенном, так и в ненасыщенном режиме по скорости возбуждения молекулярных переходов в исследуемых образцах. Решение этой задачи позволит также расширить арсенал доступных технических средств.Thus, there is a need to create a device that combines the advantages of an electronic THz radiation source, for example, a pulsed free-electron laser, with the capabilities of the broadband THz spectroscopy method of sounding pumping, which would overcome the disadvantages of the closest analogue It would make it possible to obtain not only amplitude, but also phase transmission spectra of the samples under study in a wide spectral range, as well as to carry out spectroscopic measurements in both saturated and unsaturated modes by the rate of excitation of molecular transitions in the studied samples. The solution to this problem will also expand the arsenal of available technical means.

Эта задача с достижением указанного технического результата решается в объекте настоящего изобретения за счет того, что предложен фемтосекундный оптико-электронный комплекс, реализующий синхронизацию электронной пушки ускорителя и широкополосного терагерцового спектрометра и содержащий: ускоритель электронов, способный генерировать импульсное ТГц излучение, систему доставки и фокусировки излучения с держателем образца и регулируемым ослабителем ТГц излучения, ведомый фемтосекундный лазерный излучатель, селектор импульсов ведомого фемтосекундного лазерного излучателя, электронный блок синхронизации, прецизионную оптическую линию задержки, оснащенную шаговым двигателем и контроллером шагового двигателя, компьютер, осуществляющий управление системой и запись данных спектроскопических измерений, а также приемник, чувствительный к величине поля ТГц импульса.This task with the achievement of the specified technical result is solved in the object of the present invention due to the fact that the proposed femtosecond optical-electronic complex that implements the synchronization of the electron gun of the accelerator and a broadband terahertz spectrometer and containing: an electron accelerator capable of generating pulsed THz radiation, a delivery system and focusing radiation with sample holder and adjustable THz attenuator, driven femtosecond laser emitter, slave pulse selector of femtosecond laser oscillator, an electronic synchronization unit, a precision optical delay line equipped with a stepper motor and stepper motor controller, computer, performs system control and recording spectroscopic measurements, as well as a receiver, sensitive to the magnitude of the field THz pulse.

Особенность объекта настоящего изобретения состоит в том, что в качестве ускорителя может использоваться лазер на свободных электронах, использующий ондулятор в качестве устройства, преобразующего энергию электронных сгустков в излучение ТГц диапазона.A feature of the object of the present invention is that a free electron laser can be used as an accelerator, using an undulator as a device that converts the energy of electron bunches into radiation in the THz range.

Другой особенностью объекта изобретения является то, что в качестве источника электронов для лазера на свободных электронах может использоваться фотокатод, облучаемый задающим лазером с требуемыми параметрами излучения. При этом задающий лазер может содержать в своем составе фотоприемное устройство, формирующее опорный сигнал синхронизации из цуга оптических импульсов задающего лазера, содержащий, помимо частоты следования импульсов задающего лазера, ее гармоники.Another feature of the object of the invention is that a photocathode irradiated by a master laser with the required radiation parameters can be used as an electron source for a free electron laser. In this case, the master laser may include a photodetector that generates a synchronization reference signal from the train of optical pulses of the master laser, containing, in addition to the pulse repetition rate of the master laser, its harmonics.

Другой особенностью комплекса является то, что входящий в состав комплекса электронный блок синхронизации может содержать: цепи подготовки и фильтрации входного сигнала, радиочастотные смесители, аналоговые или цифровые фазовые детекторы, пропорционально интегрально-дифференциальные преобразователи, высоковольтные усилители, контроллеры шаговых двигателей, усилители для питания акустооптических и электрооптических модуляторов, цифровые генераторы синусоидальных колебаний произвольной частоты и делители частоты.Another feature of the complex is that the electronic synchronization unit included in the complex may contain: input signal preparation and filtering circuits, radio frequency mixers, analog or digital phase detectors, proportionally integrated differential converters, high voltage amplifiers, stepper motor controllers, amplifiers for acousto-optical power and electro-optical modulators, digital generators of sine waves of arbitrary frequency and frequency dividers.

Еще одна особенность комплекса состоит в том, что ведомый фемтосекундный лазерный излучатель может иметь настраиваемую частоту следования импульсов, что может быть реализовано за счет установки в резонатор ведомого лазерного излучателя подвижных зеркал и призм с электромеханическим или пьезоэлектрическим приводом. При этом величина частоты следования импульсов ведомого фемтосекундного лазерного излучателя определяется величиной частоты следования импульсов задающего лазера.Another feature of the complex is that the driven femtosecond laser emitter can have an adjustable pulse repetition rate, which can be realized by installing movable mirrors and prisms with an electromechanical or piezoelectric drive in the resonator of the driven laser emitter. In this case, the pulse repetition rate of the driven femtosecond laser emitter is determined by the pulse repetition rate of the master laser.

Кроме того, особенностью комплекса является то, что селектор импульсов ведомого фемтосекундного лазерного излучателя, установленный в соответствующем лазерном пучке, может быть синхронизован с ускорителем электронов при помощи импульсно-периодического электрического сигнала, генерируемого ускорителем и соответствующего частоте генерации единичных ТГц импульсов.In addition, a feature of the complex is that the pulse selector of the driven femtosecond laser emitter installed in the corresponding laser beam can be synchronized with the electron accelerator using a pulse-periodic electrical signal generated by the accelerator and corresponding to the frequency of generation of single THz pulses.

Другая особенность комплекса заключается в том, что приемник ТГц излучения может включать в себя: нелинейный электрооптический кристалл, изменяющий состояние поляризации проходящего через него излучения ведомого фемтосекундного лазерного излучателя под воздействием поля ТГц импульса, сгенерированного ускорителем, четвертьволновую фазовую пластинку, рассчитанную на длину волны ведомого фемтосекундного лазерного излучателя, призму Волластона и балансный фотодетектор.Another feature of the complex is that the terahertz receiver can include: a nonlinear electro-optical crystal that changes the polarization state of the transmitted radiation of a driven femtosecond laser emitter under the influence of a terahertz pulse generated by the accelerator, a quarter-wave phase plate designed for the wavelength of the driven femtosecond laser emitter, Wollaston prism and balanced photodetector.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

Настоящее изобретение иллюстрируется чертежом, на котором оптическое сопряжение отдельных частей комплекса условно показано двойными линиями со стрелками, в то время как одинарными линиями со стрелками обозначены электрические соединения.The present invention is illustrated by a drawing in which the optical conjugation of individual parts of the complex is conventionally shown by double lines with arrows, while single lines with arrows indicate electrical connections.

На Фиг. 1 показана общая блок-схема оптико-электронного фемтосекундного комплекса по настоящему изобретению.In FIG. 1 shows a general block diagram of an optoelectronic femtosecond complex of the present invention.

Подробное описание вариантов осуществленияDetailed Description of Embodiments

Настоящее изобретение далее описывается со ссылками на прилагаемый чертеж посредством примеров его осуществления, которые являются иллюстративными, но не ограничивающими объем притязаний по настоящему изобретению, определяемый только нижеследующей формулой изобретения.The present invention is further described with reference to the accompanying drawing by means of examples of its implementation, which are illustrative, but not limiting the scope of the claims of the present invention, defined only by the following claims.

Предложенный оптико-электронный фемтосекундный комплекс содержит в общем случае (Фиг. 1) источник ТГц импульсов, основанный на электронном ускорителе 19. Подобный источник ТГц импульсов может быть реализован, например, в виде задающего фемтосекундного лазерного излучателя 1, пучок которого подается в ускоритель 2, состоящий из фотокатода 20, в котором указанный лазерный пучок преобразуется в последовательность электронных сгустков за счет фотоэффекта, электромагнитного ускорителя электронных сгустков 21, а также ондулятора 22, преобразующего энергию ускоренных электронных сгустков в последовательность импульсов ТГц излучения. Полученная последовательность ТГц импульсов далее может подаваться на аттеньюатор 3, обеспечивающий возможность плавной настройки мощности ТГц излучения на образце исследований 5. После аттеньюатора пучок ТГц излучения подается в оптическую систему 23 для доставки и фокусировки излучения на образец 5, содержащую помимо держателя образца параболические зеркала с металлическим покрытием 4 и 6. Для обеспечения компенсации расходимости подаваемого в оптическую систему ТГц излучения могут использоваться дополнительные параболические и плоские зеркала, а также линзы, изготовленные из материала, прозрачного в ТГц диапазоне (не указаны на Фиг. 1).The proposed optoelectronic femtosecond complex generally contains (Fig. 1) a source of THz pulses based on an electron accelerator 19. A similar source of THz pulses can be implemented, for example, in the form of a master femtosecond laser emitter 1, the beam of which is supplied to accelerator 2, consisting of a photocathode 20, in which the specified laser beam is converted into a sequence of electron bunches due to the photoelectric effect, an electromagnetic accelerator of electron bunches 21, and also an undulator 22, transforming th energy of accelerated electron bunches in a pulse train of THz radiation. The obtained sequence of THz pulses can then be fed to an attenuator 3, which makes it possible to smoothly adjust the THz radiation power in the sample 5. After the attenuator, the THz beam is supplied to the optical system 23 for delivery and focusing of radiation to sample 5, which contains, in addition to the sample holder, parabolic mirrors with metal Coating 4 and 6. To provide compensation for the divergence of the radiation supplied to the THz optical system, additional parabolic and skie mirrors and lenses made of a material transparent to THz range (not shown in FIG. 1).

Прошедшее и частично поглощенное образцом 5 импульсное ТГц излучение далее фокусируется в электрооптический кристалл 7, в котором фокальная область пучка ТГц излучения совмещена с фокусом лазерного пучка, излучаемого ведомым лазерным излучателем 17. В качестве ведомого лазерного излучателя возможно использовать, например, фемтосекундный твердотельный титан-сапфировый лазер, частота следования импульсов которого синхронизована с частотой следования импульсов лазера 1 посредством блока синхронизации 18.The transmitted and partially absorbed THz pulsed sample 5 is then focused into an electro-optical crystal 7, in which the focal region of the THz beam is aligned with the focus of the laser beam emitted by the driven laser emitter 17. For example, a femtosecond solid-state titanium-sapphire solid-state laser can be used as a driven laser emitter laser, the pulse repetition rate of which is synchronized with the pulse repetition rate of the laser 1 through the synchronization unit 18.

Блок синхронизации 18 может включать электронную схему фазовой автоподстройки частоты, генерирующую электрический сигнал, параметры которого зависят от мгновенной частотной расстройки между излучателями 1 и 17. Этот сигнал может быть использован блоком 18 для управления содержащимися в резонаторе излучателя 17 подвижными зеркалом и призмой, обеспечивая, таким образом, равенство частоты следования импульсов излучателя 17 частоте импульсов задающего излучателя 1.Synchronization unit 18 may include an electronic phase-locked loop that generates an electrical signal, the parameters of which depend on the instantaneous frequency detuning between emitters 1 and 17. This signal can be used by unit 18 to control a movable mirror and a prism contained in the resonator 17, thereby providing Thus, the equality of the pulse repetition rate of the emitter 17 to the pulse frequency of the master emitter 1.

Генерируемый ведомым лазерным излучателем 17 пучок далее подается в электрооптический селектор импульсов 16, прореживающий исходную последовательность лазерных импульсов до частоты, соответствующей частоте получаемых при помощи ускорителя ТГц импульсов. Тактовый сигнал, определяющий степень прореживания, может быть подан на селектор импульсов с блока управляющей электроники ускорителя. Селектор импульсов при этом может быть выполнен в виде электрооптического кристалла бета-бората бария, дигидрофосфата калия, титанил-фосфата калия с приложенными к нему высоковольтными электродами, а также пары поляризаторов и высоковольтного блока питания.The beam generated by the driven laser emitter 17 is then fed to the electro-optical pulse selector 16, thinning the initial sequence of laser pulses to a frequency corresponding to the frequency obtained with the THz accelerator pulses. The clock signal determining the degree of thinning can be applied to the pulse selector from the control electronics unit of the accelerator. The pulse selector can be made in the form of an electro-optical crystal of barium beta-borate, potassium dihydrogen phosphate, potassium titanyl phosphate with high-voltage electrodes attached to it, as well as a pair of polarizers and a high-voltage power supply.

Полученная при помощи селектора прореженная последовательность оптических лазерных импульсов затем подается при помощи плоского зеркала 15 на прецизионную линию задержки 12, управляемую посредством компьютера 11. При этом линия задержки может представлять собой уголковый отражатель (ретрорефлектор), установленный на подвижной каретке и смещаемый вдоль пучка, ориентируемого зеркалом 15. Для перемещения каретки линии задержки может быть использован шаговый двигатель с контроллером и червячной передачей, выполненные таким образом, чтобы обеспечивать величину единичного шага каретки, соответствующую требованиям на разрешение ТГц спектрометра во времени.The thinned sequence of optical laser pulses obtained by means of a selector is then applied by means of a flat mirror 15 to a precision delay line 12 controlled by a computer 11. The delay line may be an angular reflector (retroreflector) mounted on a movable carriage and displaced along a beam oriented mirror 15. To move the carriage of the delay line can be used a stepper motor with a controller and a worm gear, designed so that about ensure the value of a single step of the carriage that meets the requirements for resolution of a THz spectrometer in time.

Возвращающийся из линии задержки пучок излучателя 17 далее подается на зеркало 14, установленное вместе с зеркалом 15 таким образом, чтобы обеспечить синхронность моментов прибытия ТГц импульса и оптического импульса на кристалл-детектор 7, при нахождении линии задержки 12 в ее среднем положении.The beam of the emitter 17 returning from the delay line is then fed to the mirror 14, mounted together with the mirror 15 in such a way as to ensure the synchronization of the arrival times of the THz pulse and the optical pulse to the crystal detector 7, when the delay line 12 is in its middle position.

Отраженный зеркалом 14 пучок излучателя 17 далее соосно совмещается с пучком ТГц излучения, что может быть достигнуто, например, за счет использования фокусирующей линзы 13 и параболического зеркала 6, в котором выполнено малое сквозное отверстие для пучка излучателя 17, имеющего за счет фокусировки малый поперечный размер в окрестности рабочей поверхности зеркала 6.The beam of the emitter 17 reflected by the mirror 14 is then aligned coaxially with the THz beam, which can be achieved, for example, by using a focusing lens 13 and a parabolic mirror 6, in which a small through hole is made for the beam of the emitter 17, which has a small transverse dimension due to focusing in the vicinity of the working surface of the mirror 6.

Совмещенные друг с другом пучок излучателя 17 и полученный с помощью ускорителя ТГц пучок распространяются далее соосно и имеют общую перетяжку внутри кристалла-детектора 7, являющегося чувствительным элементов ТГц приемника 24. ТГц приемник может быть реализован на основе корреляционного метода детектирования ТГц поля со стробированием квазистационарного поля ТГц импульса фемтосекундным лазерным импульсом, реализуемое при значительной разнице в длительностях указанных импульсов. Как известно специалистам, в качестве нелинейности, реализующей возможность такого корреляционного метода, может быть использована оптическая нелинейность второго порядка, присущая известным классам полупроводниковых кристаллов, например, кристаллу теллурида цинка. Изменение состояния поляризации проходящего через такой кристалл излучения лазера 17 под воздействием поля ТГц импульса может быть измерено при помощи четвертьволновой пластинки 8, преобразующей линейную поляризацию излучения лазера в эллиптическую с соотношением полуосей, зависящим от величины поля ТГц импульса для фиксированного положения линии задержки. Для регистрации величины поля, таким образом, может быть применена призма Волластона 9, разделяющая поступающее на нее эллиптически поляризованное излучение на две ортогонально линейно поляризованные составляющие, средняя мощность которых регистрируется при помощи балансного фотодиода с дифференциальным усилителем 10. Аналоговый сигнал на выходе балансного фотодиода 10 оцифровывается и фиксируется персональным компьютером 11, который после каждого подобного измерения последовательно изменяет положение линии задержки 12, обеспечивая стробирование следующего временного фрагмента ТГц импульса. Поточечная запись временного профиля электромагнитного поля за счет варьирования задержки между импульсами ТГц и лазерного излучения позволяет зафиксировать особенности поглощения, имеющие место в образце 5, так как полученные таким образом данные несут информацию как об амплитуде, так и о фазе прошедшего через него ТГц импульса.The emitter 17 beam combined with each other and the THz beam obtained using the accelerator are further distributed coaxially and have a common constriction inside the crystal-detector 7, which is sensitive to the elements of the THz receiver 24. The THz receiver can be implemented on the basis of the correlation method for detecting the THz field with strobing of the quasistationary field THz pulse by a femtosecond laser pulse, realized with a significant difference in the durations of these pulses. As is known to specialists, as a nonlinearity realizing the possibility of such a correlation method, a second-order optical nonlinearity inherent in known classes of semiconductor crystals, for example, a zinc telluride crystal, can be used. The change in the polarization state of the laser radiation passing through such a crystal 17 under the influence of a THz pulse field can be measured using a quarter-wave plate 8, which converts the linear polarization of the laser radiation into elliptic with a half-axis ratio depending on the magnitude of the THz pulse field for a fixed position of the delay line. To register the magnitude of the field, thus, a Wollaston prism 9 can be applied, dividing the elliptically polarized radiation coming into it into two orthogonally linearly polarized components, the average power of which is recorded using a balanced photodiode with a differential amplifier 10. The analog signal at the output of the balanced photodiode 10 is digitized and fixed by a personal computer 11, which after each such measurement sequentially changes the position of the delay line 12, providing testing of the next time fragment of the THz pulse. Point-by-point recording of the temporal profile of the electromagnetic field by varying the delay between THz pulses and laser radiation makes it possible to record the absorption features that take place in sample 5, since the data thus obtained carry information both about the amplitude and phase of the THz pulse transmitted through it.

Таким образом, при выполнении оптико-электронного комплекса в соответствии с настоящим изобретением обеспечивается возможность применения метода широкополосной ТГц спектроскопии с высоким временным разрешением при использовании в качестве источника ТГц излучения электронных ускорителей и, в частности, основанных на них лазеров на свободных электронах. Следовательно, в настоящем изобретении реализуется возможность получения амплитудных и фазовых спектров пропускания образцов при их возбуждении ТГц импульсами, имеющими энергию в десятки и сотни мДж, что недоступно для традиционных схем ТГц спектроскопии, включая схемы, использующие для генерации кристаллы ниобата лития, приспособленные для работы с наклонным волновым фронтом.Thus, when performing the optical-electronic complex in accordance with the present invention, it is possible to use the method of broadband THz spectroscopy with high temporal resolution when using electron accelerators and, in particular, free electron lasers based on them, as a THz source. Therefore, the present invention realizes the possibility of obtaining amplitude and phase transmission spectra of samples upon their excitation by THz pulses having energies of tens and hundreds of mJ, which is not available for traditional THz spectroscopy schemes, including schemes using lithium niobate crystals adapted to work with oblique wavefront.

Claims (15)

1. Фемтосекундный оптико-электронный лазерный комплекс, содержащий:1. A femtosecond optoelectronic laser complex containing: - ускоритель электронов, в том числе приспособленный для генерации периодической последовательности импульсов в ТГц диапазоне частот;- an electron accelerator, including one adapted to generate a periodic pulse sequence in the THz frequency range; - оптическую систему доставки и фокусировки ТГц излучения, содержащую зеркала, линзы, держатель образца - объекта исследования, а также регулируемый ослабитель излучения, которые в совокупности обеспечивают возможность контролируемого облучения образца или его малой области импульсами в ТГц диапазоне частот, и доставки прошедшей через образец такой последовательности на широкополосный приемник ТГц излучения;- an optical system for delivering and focusing THz radiation, containing mirrors, lenses, a sample holder - the object of study, as well as an adjustable radiation attenuator, which together provide the possibility of controlled irradiation of the sample or its small region with pulses in the THz frequency range, and delivering such sequences on a broadband THz radiation receiver; - ведомый фемтосекундный лазерный излучатель, генерирующий последовательность коротких (фемтосекундных) оптических импульсов, которая может быть синхронизована с последовательностью импульсов в ТГц диапазоне ТГц частот;- a driven femtosecond laser emitter generating a sequence of short (femtosecond) optical pulses, which can be synchronized with a sequence of pulses in the THz range of THz frequencies; - электронный блок, обеспечивающий синхронизацию последовательности оптических импульсов, излучаемых ведомым фемтосекундным лазерным излучателем, с последовательностью импульсов в ТГц диапазоне частот, при этом получаемая за счет работы блока синхронизации последовательность оптических импульсов имеет частоту, кратную таковой у последовательности импульсов в ТГц диапазоне частот;- an electronic unit that synchronizes the sequence of optical pulses emitted by the driven femtosecond laser emitter with a sequence of pulses in the THz frequency range, while the sequence of optical pulses obtained from the synchronization unit has a frequency that is a multiple of that of the pulse sequence in the THz frequency range; - селектор импульсов, установленный в пучок ведомого фемтосекундного излучателя и формирующий из поступающей на его вход последовательности оптических импульсов прореженную последовательность, совпадающую по частоте с последовательностью импульсов в ТГц диапазоне частот;- a pulse selector installed in the beam of the driven femtosecond emitter and forming a thinned sequence matching the frequency of the pulse sequence in the THz frequency range from the optical pulse train arriving at its input; - оптическую линию задержки, обеспечивающую возможность непрерывной или дискретной подстройки величины вносимой задержки с точностью, достаточной для обеспечения требуемого разрешения при регистрации временного профиля электрического поля ТГц импульсов;- an optical delay line, providing the possibility of continuous or discrete adjustment of the introduced delay with an accuracy sufficient to provide the required resolution when recording the temporal profile of the electric field of THz pulses; - широкополосный приемник ТГц излучения, на который подается прошедшая через образец последовательность импульсов в ТГц диапазоне частот, а также синхронизированная с ней последовательность оптических импульсов, при этом широкополосный приемник ТГц излучения является чувствительным к величине электрического поля подаваемой на него последовательности в ТГц диапазоне частот;- a broadband THz radiation receiver, to which a sequence of pulses passed through the sample in the THz frequency range, as well as a sequence of optical pulses synchronized with it, is supplied, while the broadband THz radiation receiver is sensitive to the magnitude of the electric field supplied to it in the THz frequency range; - компьютер, обеспечивающий управление фемтосекундным оптико-электронным комплексом, в том числе осуществляющий изменение вносимой задержки между последовательностью оптических импульсов и импульсов в ТГц диапазоне частот.- a computer that controls the femtosecond optical-electronic complex, including changing the insertion delay between the sequence of optical pulses and pulses in the THz frequency range. 2. Комплекс по п. 1, в котором упомянутый ускоритель электронов содержит задающий фемтосекундный лазерный излучатель, фотокатод, освещаемый этим излучателем, непосредственно ускорительное устройство и ондулятор, в котором происходит генерация последовательности ТГц импульсов.2. The complex of claim 1, wherein said electron accelerator comprises a master femtosecond laser emitter, a photocathode illuminated by this emitter, a direct accelerator and an undulator in which a sequence of THz pulses is generated. 3. Комплекс по п. 2, в котором задающий фемтосекундный лазерный излучатель дополнительно содержит фотоприемное устройство, генерирующее электрический сигнал из последовательности оптических импульсов, генерируемой этим фемтосекундным лазерным излучателем.3. The complex of claim 2, wherein the master femtosecond laser emitter further comprises a photodetector generating an electrical signal from a sequence of optical pulses generated by this femtosecond laser emitter. 4. Комплекс по п. 2, в котором задающий фемтосекундный лазерный излучатель дополнительно содержит подвижные элементы резонатора, обеспечивающие возможность контролируемого изменения частоты следования генерируемой им последовательности импульсов.4. The complex according to claim 2, in which the master femtosecond laser emitter further comprises movable resonator elements that enable a controlled change in the repetition rate of the pulse sequence generated by it. 5. Комплекс по п. 1, в котором оптическая линия задержки выполнена в виде перемещаемой при помощи червячной передачи каретки, на которую установлен ретрорефлектор в виде уголкового отражателя, а привод червячной передачи осуществляется за счет шагового двигателя, управляемого при помощи соответствующего контроллера и указанного компьютера.5. The complex according to claim 1, in which the optical delay line is made in the form of a carriage moved by means of a worm gear, onto which a retroreflector is installed in the form of an angular reflector, and the worm gear is driven by a stepper motor controlled by an appropriate controller and the specified computer . 6. Комплекс по п. 1, в котором широкополосный приемник ТГц излучения реализован с использованием метода электрооптического стробирования, а на вход приемника подается последовательность импульсов в ТГц диапазоне частот в виде сфокусированного пучка, соосного с пучком также подаваемого на приемник оптического излучения, сгенерированного ведомым фемтосекундным лазерным излучателем, причем указанное оптическое излучение предварительно пропущено через упомянутую линию задержки.6. The complex according to claim 1, in which the broadband THz radiation receiver is implemented using the electro-optical gating method, and a pulse sequence in the THz frequency range is applied to the receiver input in the form of a focused beam coaxial with the beam also fed to the receiver by optical femtosecond driven a laser emitter, wherein said optical radiation is previously passed through said delay line. 7. Комплекс по п. 6, в котором широкополосный приемник ТГц излучения содержит электрооптический полупроводниковый кристалл, четвертьволновую пластинку, призму Волластона и балансный фотоприемник с дифференциальным усилителем.7. The complex according to claim 6, in which the broadband THz radiation receiver contains an electro-optical semiconductor crystal, a quarter-wave plate, a Wollaston prism, and a balanced photodetector with a differential amplifier.
RU2018129536A 2018-08-14 2018-08-14 Femtosecond optoelectronic system for measuring the field of thz pulses obtained using an electron accelerator RU2697879C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018129536A RU2697879C1 (en) 2018-08-14 2018-08-14 Femtosecond optoelectronic system for measuring the field of thz pulses obtained using an electron accelerator

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018129536A RU2697879C1 (en) 2018-08-14 2018-08-14 Femtosecond optoelectronic system for measuring the field of thz pulses obtained using an electron accelerator

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2697879C1 true RU2697879C1 (en) 2019-08-21

Family

ID=67733627

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018129536A RU2697879C1 (en) 2018-08-14 2018-08-14 Femtosecond optoelectronic system for measuring the field of thz pulses obtained using an electron accelerator

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2697879C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU207462U1 (en) * 2021-04-29 2021-10-28 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Device for laser modification of the sample

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU170865U1 (en) * 2016-12-20 2017-05-11 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" (НИЯУ МИФИ) Pulse generator of broadband terahertz radiation
US20170269455A1 (en) * 2016-03-21 2017-09-21 Deutsches Elektronen-Synchrotron Desy Method and apparatus for generating thz radiation
EP2965391B1 (en) * 2013-03-05 2017-12-27 Pécsi Tudományegyetem Method and arrangement to generate few optical cycle coherent electromagnetic radiation in the euv-vuv domain
RU2650698C1 (en) * 2016-12-23 2018-04-17 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук" Device for variable single-color "pump-probe" spectroscopy in the teraherzt range

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2965391B1 (en) * 2013-03-05 2017-12-27 Pécsi Tudományegyetem Method and arrangement to generate few optical cycle coherent electromagnetic radiation in the euv-vuv domain
US20170269455A1 (en) * 2016-03-21 2017-09-21 Deutsches Elektronen-Synchrotron Desy Method and apparatus for generating thz radiation
RU170865U1 (en) * 2016-12-20 2017-05-11 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" (НИЯУ МИФИ) Pulse generator of broadband terahertz radiation
RU2650698C1 (en) * 2016-12-23 2018-04-17 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук" Device for variable single-color "pump-probe" spectroscopy in the teraherzt range

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU207462U1 (en) * 2021-04-29 2021-10-28 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Device for laser modification of the sample

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2371684C2 (en) Method and device for measuring time-domain spectrum of terahertz radiation pulses
US7605371B2 (en) High-resolution high-speed terahertz spectrometer
Van der Weide et al. Gas-absorption spectroscopy with electronic terahertz techniques
US5748309A (en) Coherent periodically pulsed radiation spectrometer
JP2011080860A (en) Terahertz radar apparatus
JPWO2016139754A1 (en) Terahertz wave generator and spectroscopic device using the same
Terra et al. An ultra-stable optical frequency standard for telecommunication purposes based upon the 5S 1/2→ 5D 5/2 two-photon transition in Rubidium
Hébert et al. Real-time dynamic atomic spectroscopy using electro-optic frequency combs
CN108287132B (en) Terahertz asynchronous high-speed scanning system trigger signal generation device and method
Hoberg et al. Integration of a rapid scanning technique into THz time-domain spectrometers for nonlinear THz spectroscopy measurements
RU2697879C1 (en) Femtosecond optoelectronic system for measuring the field of thz pulses obtained using an electron accelerator
Wu et al. Electro-optic sampling of optical pulses and electron bunches for a compact THz-FEL source
Benson et al. REVIEW OF RECENT EXPERIMENTAL RESULTS FROM THE STANFORD 3µm FREE ELECTRON LASER
Schmidhammer et al. Single shot linear detection of 0.01–10 THz electromagnetic fields: Electro-optic sampling with a supercontinuum in balanced detection
Thangaraj et al. Demonstration of a real-time interferometer as a bunch-length monitor in a high-current electron beam accelerator
CN116907660A (en) Apparatus and method for measuring and controlling ultrafast laser pulse chirping
JP2007101370A (en) Terahertz spectral device
Widmann et al. Implementing electro-optical diagnostics for measuring the csr far-field at kara
Stalnaker et al. Measurement of the 4 S 1/2→ 6 S 1/2 transition frequency in atomic potassium via direct frequency-comb spectroscopy
JP2024508203A (en) High energy efficiency coherent Raman spectroscopy system and method using dual comb laser
Widmann et al. Measuring the coherent synchrotron radiation far field with electro-optical techniques
Falconieri et al. High‐sensitivity impulsive stimulated Raman spectrometer with fast data acquisition
Galtier et al. High-accuracy deep-UV Ramsey-comb spectroscopy in krypton
Gallo Timing and synchronization
Breunlin Commissioning of an electro-optic electron bunch length monitor at FLASH