EA044770B1 - WORKING UNIT OF PULSE TERAHERTZ RADIATION DETECTOR - Google Patents
WORKING UNIT OF PULSE TERAHERTZ RADIATION DETECTOR Download PDFInfo
- Publication number
- EA044770B1 EA044770B1 EA202292442 EA044770B1 EA 044770 B1 EA044770 B1 EA 044770B1 EA 202292442 EA202292442 EA 202292442 EA 044770 B1 EA044770 B1 EA 044770B1
- Authority
- EA
- Eurasian Patent Office
- Prior art keywords
- optical
- pulse
- terahertz radiation
- femtosecond
- crystal
- Prior art date
Links
- 230000005855 radiation Effects 0.000 title claims description 109
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 97
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 51
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims description 49
- 239000013598 vector Substances 0.000 claims description 27
- 229910013641 LiNbO 3 Inorganic materials 0.000 claims description 24
- 230000005684 electric field Effects 0.000 claims description 18
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 11
- 230000005697 Pockels effect Effects 0.000 claims description 8
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 7
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims description 7
- 229910003327 LiNbO3 Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 6
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 6
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 claims description 6
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims description 6
- 238000005070 sampling Methods 0.000 claims description 3
- 230000001629 suppression Effects 0.000 claims description 3
- 229910007709 ZnTe Inorganic materials 0.000 claims description 2
- GQYHUHYESMUTHG-UHFFFAOYSA-N lithium niobate Chemical compound [Li+].[O-][Nb](=O)=O GQYHUHYESMUTHG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 3
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 3
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 2
- 230000001965 increasing effect Effects 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001154 acute effect Effects 0.000 description 1
- CSJLBAMHHLJAAS-UHFFFAOYSA-N diethylaminosulfur trifluoride Substances CCN(CC)S(F)(F)F CSJLBAMHHLJAAS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000006870 function Effects 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 238000000386 microscopy Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
Description
Изобретение относится к устройствам оптического измерения переменного электрического поля терагерцового излучения, функционирующим на основе эффекта Поккельса, и может быть использовано в качестве базового конструктивного узла в детекторах широкополосного импульсного терагерцового излучения для высокочувствительного оборудования спектроскопии, микроскопии и имиджинга.The invention relates to devices for optical measurement of the alternating electric field of terahertz radiation, operating on the basis of the Pockels effect, and can be used as a basic structural unit in detectors of broadband pulsed terahertz radiation for highly sensitive equipment for spectroscopy, microscopy and imaging.
Одним из распространённых способов измерения электрического поля терагерцового излучения является электрооптическое стробирование терагерцовых импульсов фемтосекундными лазерными импульсами (см. статью на англ яз Q. Wu, X. and other Ultrafast electro-optic field sensors. APPLIED PHISICS LETTERS, 1996, v. 68, № 12, p. 1604-1606). В данном методе зондирующий оптический фемтосекундный импульс распространяется коллинеарно с импульсом терагецового излучения в электрооптическом кристалле и испытывает изменение поляризации в результате эффекта Поккельса, состоящего в наведении электрическим полем терагецового излучения двойного лучепреломления в электрооптическом кристалле. Измеряя изменение поляризации как функцию временной задержки между импульсами, можно отобразить временную зависимость электрического поля терагецового излучения (см. книгу на русск. яз. авторов Чжан С.Ч., Шю Д. Терагерцовая фотоника, М. - Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2016, с. 62). Поляризационные измерения проводятся с помощью стандартной схемы, включающей четвертьволновую пластинку, призму Волластона и балансный фотодетектор.One of the common ways to measure the electric field of terahertz radiation is electro-optical gating of terahertz pulses with femtosecond laser pulses (see article in English by Q. Wu, X. and other Ultrafast electro-optic field sensors. APPLIED PHISICS LETTERS, 1996, v. 68, no. 12, pp. 1604-1606). In this method, a femtosecond optical probing pulse propagates collinearly with a terahtz radiation pulse in an electro-optical crystal and experiences a change in polarization as a result of the Pockels effect, which consists in inducing birefringence in the electro-optical crystal by the electric field of terahtz radiation. By measuring the change in polarization as a function of the time delay between pulses, it is possible to display the time dependence of the electric field of terahertz radiation (see the book in Russian by Zhang S.Ch., Shu D. Terahertz Photonics, M. - Izhevsk: Institute of Computer Research, 2016 , p. 62). Polarization measurements are carried out using a standard setup that includes a quarter-wave plate, a Wollaston prism, and a balanced photodetector.
Для эффективного ЭО стробирования требуется равенство групповой скорости оптического фемтосекундного импульса и фазовой скорости импульса терагерцового излучения. Данное условие может быть выполнено только при некоторых длинах волн оптического импульса в специально подобранных кристаллах, например, в кристалле ZnTe для импульсов титан-сапфирового (Ti:sappire) лазера с длиной волны 800 нм. Для более удобных в практическом применении волоконных лазеров с длиной волны около 1550 нм не существует кристаллов, обеспечивающих согласование скоростей оптического фемтосекундного импульса и импульса терагерцового излучения в стандартной коллинеарной схеме. Добиться согласования скоростей для произвольной длины волны оптического фемтосекундного импульса можно с помощью неколлинеарной схемы, в которой оптический фемтосекундный импульс распространяется под черенковским углом к направлению распространения импульса терагерцового излучения. Неколлинеарная схема ЭО стробирования была впервые описана в статье на англ. яз. M. Tani and other Efficient electrooptic sampling detection of terahertz radiation via Cherenkov phase matching. OPTICS EXPRESS, 2011, v. 19, № 21, p.19901-19906.Effective EO gating requires equality of the group velocity of the femtosecond optical pulse and the phase velocity of the terahertz radiation pulse. This condition can only be met at certain optical pulse wavelengths in specially selected crystals, for example, in a ZnTe crystal for titanium-sapphire (Ti:sappire) laser pulses with a wavelength of 800 nm. For fiber lasers with a wavelength of about 1550 nm, which are more convenient for practical use, there are no crystals that match the speeds of an optical femtosecond pulse and a terahertz radiation pulse in a standard collinear scheme. Velocity matching for an arbitrary wavelength of an optical femtosecond pulse can be achieved using a non-collinear scheme in which the optical femtosecond pulse propagates at a Cherenkov angle to the direction of propagation of the terahertz radiation pulse. The non-collinear EO gating scheme was first described in an article in English. language M. Tani and others Efficient electrooptic sampling detection of terahertz radiation via Cherenkov phase matching. OPTICS EXPRESS, 2011, v. 19, No. 21, p.19901-19906.
Известен детектор импульсного терагерцового излучения (см., патент US 7177071, G02F 1/355, H01S 5/323, 2007), использующий в качестве рабочего узла ЭО кристалл, на входную грань которого падают по нормали зондирующий оптический фемтосекундный импульс и импульс терагерцового излучения. При этом данные импульсы будут коллинеарно распространяться внутри кристалла.A detector of pulsed terahertz radiation is known (see patent US 7177071, G02F 1/355, H01S 5/323, 2007), using an EO crystal as a working unit, on the input face of which a probing optical femtosecond pulse and a pulse of terahertz radiation are incident normally. In this case, these pulses will propagate collinearly inside the crystal.
В указанном изобретении рабочим узлом детектора импульсного терагерцового излучения является электрооптический кристалл. В электрооптическом кристалле при коллинеарном распространении зондирующего оптического фемтосекундного импульса и импульса терагерцового излучения, под действием электрического поля терагерцового излучения и в результате эффекта Поккельса происходит изменение направления вектора поляризации оптического фемтосекундного импульса.In this invention, the working unit of the detector of pulsed terahertz radiation is an electro-optical crystal. In an electro-optical crystal, with collinear propagation of a probing optical femtosecond pulse and a terahertz radiation pulse, under the influence of the electric field of terahertz radiation and as a result of the Pockels effect, a change in the direction of the polarization vector of the optical femtosecond pulse occurs.
Недостатком этого аналога является невозможность добиться согласования скоростей импульса терагерцового излучения и оптического фемтосекундного импульса в электрооптическом кристалле для произвольной длины волны зондирующего оптического фемтосекундного импульса. В таком случае импульсы будут смещаться друг относительно друга, что приведет к уменьшению поляризационных изменений оптического фемтосекундного импульса, и, как следствие, ухудшится соотношение сигнал-шум в измеренной временной зависимости электрического поля терагерцового излучения. Для предотвращения данного эффекта необходимо использовать кристалл с длиной, меньшей той, на которой импульсы еще не успеют существенно сместиться друг относительно друга. Ограничение длины используемого кристалла приводит к уменьшению спектрального разрешения в измеряемом импульсе. Также недостатком подобной схемы можно считать дисперсию импульсов терагерцового излучения в электрооптическом кристалле. Вследствие того, что компоненты импульса терагерцового излучения с разной частотой будут распространяться на разных скоростях, становится невозможно добиться согласования скоростей зондирующего оптического фемтосекундного импульса и всех компонент терагерцового излучения, что приводит к невозможности создать детектор импульсного терагерцового излучения работающий в широкой полосе терагерцовых длин волн.The disadvantage of this analogue is the inability to match the speeds of a terahertz radiation pulse and an optical femtosecond pulse in an electro-optical crystal for an arbitrary wavelength of the probing optical femtosecond pulse. In this case, the pulses will be shifted relative to each other, which will lead to a decrease in the polarization changes of the optical femtosecond pulse, and, as a result, the signal-to-noise ratio in the measured time dependence of the electric field of terahertz radiation will deteriorate. To prevent this effect, it is necessary to use a crystal with a length shorter than that at which the pulses will not yet have time to significantly shift relative to each other. Limiting the length of the crystal used leads to a decrease in the spectral resolution in the measured pulse. Also, a disadvantage of such a scheme can be considered the dispersion of terahertz radiation pulses in the electro-optical crystal. Due to the fact that the components of a terahertz radiation pulse with different frequencies will propagate at different speeds, it becomes impossible to match the speeds of the probing optical femtosecond pulse and all components of terahertz radiation, which leads to the impossibility of creating a detector of pulsed terahertz radiation operating in a wide band of terahertz wavelengths.
Известен аналог заявляемого изобретения (см. патент RU2637182, G02F1/03, 2017) использующий в качестве рабочего узла кристалл GaAs и неколлинеарную схему согласования скоростей оптического фемтосекундного импульса и импульса терагерцового излучения внутри кристалла. Как было сказано выше, в данной схеме оптический фемтосекундный импульс распространяется под черенковским углом к направлению распространения импульса терагерцового излучения.An analogue of the claimed invention is known (see patent RU2637182, G02F1/03, 2017) using a GaAs crystal as a working unit and a non-collinear scheme for matching the speeds of an optical femtosecond pulse and a terahertz radiation pulse inside the crystal. As mentioned above, in this scheme, the optical femtosecond pulse propagates at a Cherenkov angle to the direction of propagation of the terahertz radiation pulse.
В данном аналоге в качестве рабочего узла детектора импульсного терагерцового излучения используется пластина из кристалла GaAs. Линейно поляризованный импульс терагерцового излучения фокусируется на эту пластину нормально к её поверхности. Линейно поляризованный оптический фемтосекундный импульс из волоконного лазера с длиной волны λ®1,56 мкм фокусируется на указаннуюIn this analogue, a GaAs crystal plate is used as the working unit of the pulsed terahertz radiation detector. A linearly polarized pulse of terahertz radiation is focused onto this plate normal to its surface. A linearly polarized optical femtosecond pulse from a fiber laser with a wavelength of λ®1.56 µm is focused onto a specified
- 1 044770 пластину под углом ®50° в место падения импульса терагерцового излучения. Преломлённый оптический фемтосекундный импульс распространяется в пластине под углом 12° к направлению распространения импульса терагерцового излучения. В пластине GaAs в результате эффекта Поккельса под действием электрического поля импульса терагерцового излучения происходит изменение направления вектора поляризации оптического фемтосекундного импульса.- 1 044770 plate at an angle of ®50° to the place of incidence of the terahertz radiation pulse. The refracted optical femtosecond pulse propagates in the plate at an angle of 12° to the direction of propagation of the terahertz radiation pulse. In a GaAs wafer, as a result of the Pockels effect, under the influence of the electric field of a terahertz radiation pulse, a change in the direction of the polarization vector of the femtosecond optical pulse occurs.
Особенностью указанного аналога, как и любого рабочего узла детектора импульсного терагерцового излучения используемого в черенковской схеме электрооптического стробирования, является его способность работать с кристаллами сантиметровой толщины, что позволяет использовать широкие временные окна измерения электрооптического сигнала, что повышает спектральное разрешение измеряемого спектра импульса терагерцового излучения до нескольких гигагерц.A feature of this analogue, as well as any working unit of a pulsed terahertz radiation detector used in a Cherenkov electro-optical gating scheme, is its ability to work with centimeter-thick crystals, which allows the use of wide time windows for measuring an electro-optical signal, which increases the spectral resolution of the measured spectrum of a terahertz radiation pulse to several gigahertz
Недостатком данного аналога является то, что кристалл GaAs нельзя использовать совместно с некоторыми распространенными типами источников излучения, в частности с Ti:sappire лазером (λ®800 нм), из-за оптической непрозрачности кристалла на длинах волн излучаемых данными источниками.The disadvantage of this analogue is that the GaAs crystal cannot be used in conjunction with some common types of radiation sources, in particular with the Ti:sappire laser (λ®800 nm), due to the optical opacity of the crystal at the wavelengths emitted by these sources.
В качестве прототипа выбран рабочий узел детектора импульсного терагерцового излучения используемый в схеме электрооптического стробирования и содержащий электрооптический кристалл, выполненный в виде пластины, изготовленной из ниобата лития (LiNbO3), прозрачной в терагерцовом диапазоне, и трапециевидную оптическую призму, размещённую своим большим основанием на указанной пластине для ввода в неё терагецового излучения, обеспечивающими детектирование терагерцового излучения путём изменения направления вектора поляризации оптического фемтосекундного импульса под действием электрического поля детектируемого терагерцового излучения за счет эффекта Поккельса при обеспечении условий Черенковского синхронизма, задающего взаимное соответствие скоростных и пространственных характеристик импульса терагерцового излучения и указанного оптического фемтосекундного импульса (см. статью на англ. яз. M. Tani and other Efficient electrooptic sampling detection of terahertz radiation via Cherenkov phase matching. OPTICS EXPRESS, 2011, v.19, № 21, p.19901-19906).As a prototype, the working unit of a pulsed terahertz radiation detector used in an electro-optical gating circuit and containing an electro-optical crystal made in the form of a plate made of lithium niobate (LiNbO 3 ), transparent in the terahertz range, and a trapezoidal optical prism placed with its large base on the specified plate for introducing terahertz radiation into it, ensuring detection of terahertz radiation by changing the direction of the polarization vector of the optical femtosecond pulse under the influence of the electric field of the detected terahertz radiation due to the Pockels effect while ensuring the conditions of Cherenkov synchronism, which specifies the mutual correspondence of the speed and spatial characteristics of the terahertz radiation pulse and the specified optical femtosecond pulse (see article in English. M. Tani and other Efficient electrooptic sampling detection of terahertz radiation via Cherenkov phase matching. OPTICS EXPRESS, 2011, v.19, No. 21, p.19901-19906).
В прототипе зондирующий оптический фемтосекундный импульс фокусируется на пластину, выполненную из кристалла LiNbO3. Поляризация зондирующего фемтосекундного оптического импульса направленна под углом 45° к оси [001] кристалла LiNbO3. Импульс терагерцового излучения поляризован вдоль оси [001]. Для снижения влияния поглощения терагерцового излучения в LiNbO3, оптический зондирующий импульс направлен параллельно к кремниевой призме и находится как можно ближе к границе призмы и кристалла.In the prototype, a femtosecond optical probing pulse is focused onto a plate made of a LiNbO 3 crystal. The polarization of the probing femtosecond optical pulse is directed at an angle of 45° to the [001] axis of the LiNbO 3 crystal. The terahertz radiation pulse is polarized along the [001] axis. To reduce the influence of absorption of terahertz radiation in LiNbO 3 , the optical probing pulse is directed parallel to the silicon prism and is located as close as possible to the interface of the prism and the crystal.
В прототипе за счёт использования черенковской схемы электрооптического стробирования повышено (до нескольких гигагерц) спектральное разрешение измеряемого спектра импульса терагерцового излучения при использовании источника фемтосекундных оптических импульсов с длиной волны 800 нм.In the prototype, due to the use of a Cherenkov electro-optical gating circuit, the spectral resolution of the measured spectrum of a terahertz radiation pulse is increased (up to several gigahertz) when using a source of femtosecond optical pulses with a wavelength of 800 nm.
Однако недостатком прототипа является то, что ось [001] кристалла LiNbO3 ориентирована перпендикулярно к направлению распространения зондирующего оптического фемтосекундного импульса и импульса терагерцового излучения. В такой конфигурации на поляризацию зондирующего оптического фемтосекундного импульса будет оказываться паразитное влияние собственного двулучепреломления материала LiNbO3. В результате распространения зондирующего оптического фемтосекундного импульса с длительностью 100 фс через кристалл LiNbO3 толщиной 0.3 мм взаимноперпендикулярно поляризованные компоненты зондирующего оптического фемтосекундного импульса будут разделены в пространстве, что не позволит произвести эллипсометрические измерения. Компенсация эффекта внутреннего двойного лучепреломления потребует применения дополнительных оптических элементов (см. статью на англ. яз. P. Y. Han and other Use of the organic crystal DAST for terahertz beam applications/ OPTICS LETTERS, 2000, v. 25, № 9, p. 675-677), что усложняет схему детектора импульсного терагерцового излучения с использованием прототипа.However, the disadvantage of the prototype is that the [001] axis of the LiNbO3 crystal is oriented perpendicular to the direction of propagation of the probing optical femtosecond pulse and the terahertz radiation pulse. In this configuration, the polarization of the probing femtosecond optical pulse will be subject to the parasitic influence of the intrinsic birefringence of the LiNbO3 material. As a result of the propagation of a probing optical femtosecond pulse with a duration of 100 fs through a LiNbO 3 crystal 0.3 mm thick, the mutually perpendicularly polarized components of the probing optical femtosecond pulse will be separated in space, which will not allow ellipsometric measurements. Compensation for the effect of internal birefringence will require the use of additional optical elements (see article in English. PY Han and other Use of the organic crystal DAST for terahertz beam applications / OPTICS LETTERS, 2000, v. 25, No. 9, p. 675- 677), which complicates the design of the pulsed terahertz radiation detector using the prototype.
Кроме того, в связи с тем, что скорость компонент импульса терагерцового излучения с разной частотой в кристалле LiNbO3 практически не зависит от частоты, прототип характеризуется значительным резервом расширения допустимого диапазона частот терагерцового излучения для детектирования детектором импульсного терагерцового излучения. А также, слабая оптическая дисперсия материала LiNbO3 позволяет использовать кремниевую призму с тем же углом среза в схемах с Ti:sapphire (λ®800 нм), Yb-легированными (λ® 1060 нм) и волоконными (λ® 1560 нм) лазерами, что было показано в статье на англ. яз. авторов J. A. Fulop and other Design of high-energy terahertz sources based on optical rectification. OPTICS EXPRESS, 2010, v. 18, № 12, p. 12311-12327, поэтому возникает резерв совершенствования схемы детектирования, на основе электрооптического кристалла LiNbO3, совместно с источниками зондирующих оптических фемтосекундных импульсов с различными длинами волн.In addition, due to the fact that the speed of the components of a terahertz radiation pulse with different frequencies in a LiNbO3 crystal is practically independent of frequency, the prototype is characterized by a significant reserve for expanding the permissible frequency range of terahertz radiation for detection by a pulsed terahertz radiation detector. And also, the weak optical dispersion of the LiNbO 3 material allows the use of a silicon prism with the same cut angle in circuits with Ti:sapphire (λ®800 nm), Yb-doped (λ® 1060 nm) and fiber (λ® 1560 nm) lasers, what was shown in the article in English. language by JA Fulop and others Design of high-energy terahertz sources based on optical rectification. OPTICS EXPRESS, 2010, v. 18, no. 12, p. 12311-12327, therefore, there is a reserve for improving the detection scheme, based on the LiNbO 3 electro-optical crystal, together with sources of probing optical femtosecond pulses with different wavelengths.
Наконец, следует отметить, что прототип используется в схеме детектирования совместно с источником зондирующих оптических фемтосекундных импульсов, представляющим собой Ti:sapphire лазер с длиной волны 800 нм. Однако для создания компактных и недорогих терагерцовых спектрометров предпочтительнее в качестве источников зондирующих оптических фемтосекундных импульсов использовать волоконные лазеры с длиной волны 1500 нм.Finally, it should be noted that the prototype is used in the detection circuit in conjunction with a source of probing optical femtosecond pulses, which is a Ti:sapphire laser with a wavelength of 800 nm. However, to create compact and inexpensive terahertz spectrometers, it is preferable to use fiber lasers with a wavelength of 1500 nm as sources of probing optical femtosecond pulses.
- 2 044770- 2 044770
Техническим результатом, который достигается при осуществлении предлагаемого изобретения, являются создание рабочего узла детектора импульсного терагерцового излучения, повышающего рабочие характеристики указанного детектора, обеспечивающие его высокую работоспособность при одновременном упрощении его оптической схемы в результате эффективного подавления негативных эффектов внутреннего двулучепреломления в электрооптическом кристалле LiNbO3 без необходимости использования для указанного подавления дополнительной оптики, которая используется в детекторе с рабочим узлом - прототипом, при сохранении высокого спектрального разрешения и обеспечении приемлемой чувствительности детектора импульсного терагерцового излучения, а также расширение диапазона допустимых к использованию источников оптического излучения.The technical result that is achieved by implementing the present invention is the creation of a working unit for a detector of pulsed terahertz radiation, increasing the performance characteristics of the specified detector, ensuring its high performance while simultaneously simplifying its optical design as a result of effectively suppressing the negative effects of internal birefringence in the LiNbO 3 electro-optical crystal without the need use for the specified suppression of additional optics, which is used in a detector with a working unit - a prototype, while maintaining high spectral resolution and ensuring acceptable sensitivity of the detector of pulsed terahertz radiation, as well as expanding the range of optical radiation sources permissible for use.
Для достижения указанного технического результата в рабочем узле детектора импульсного терагерцового излучения, содержащем ЭО кристалл, выполненный в виде пластины, изготовленной из LiNbO3, прозрачной в терагерцовом диапазоне, и трапециевидную оптическую призму, размещённую своим большим основанием на указанной пластине для ввода в неё терагецового излучения, обеспечивающими детектирование терагерцового излучения путём изменения направления вектора поляризации оптического фемтосекундного импульса под действием электрического поля детектируемого импульса терагерцового излучения за счет эффекта Поккельса при обеспечении условий Черенковского синхронизма, задающего взаимное соответствие скоростных и пространственных характеристик импульса терагерцового излучения и указанного оптического фемтосекундного импульса, предлагаемый рабочий узел содержит упомянутые ЭО кристалл и оптическую призму, обеспечивающие детектирование импульса терагерцового излучения путём изменения направления вектора поляризации создаваемого лазером с длиной волны 800-1550 нм оптического фемтосекундного импульса длительностью 70-100 фс под действием электрического поля детектируемого импульса терагерцового излучения, причём пластина упомянутого кристалла выполнена с условием ориентации её кристаллографической оси [001] перпендикулярно вектору поляризации оптического фемтосекундного импульса, а оси [100] параллельно вектору поляризации электрического поля детектируемого импульса терагерцового излучения при одновременной ориентации последней оси параллельно или перпендикулярно вектору поляризации указанного оптического фемтосекундного импульса.To achieve the specified technical result in the working unit of a detector of pulsed terahertz radiation, containing an EO crystal made in the form of a plate made of LiNbO 3 , transparent in the terahertz range, and a trapezoidal optical prism placed with its large base on the specified plate to input terahertz radiation into it , providing detection of terahertz radiation by changing the direction of the polarization vector of the optical femtosecond pulse under the influence of the electric field of the detected terahertz radiation pulse due to the Pockels effect while ensuring the conditions of Cherenkov synchronism, which specifies the mutual correspondence of the speed and spatial characteristics of the terahertz radiation pulse and the specified optical femtosecond pulse, the proposed working unit contains the mentioned EO crystal and optical prism, providing detection of a terahertz radiation pulse by changing the direction of the polarization vector of an optical femtosecond pulse with a duration of 70-100 fs created by a laser with a wavelength of 800-1550 nm under the influence of the electric field of the detected terahertz radiation pulse, and the plate of the mentioned crystal is made with the condition of the orientation of its crystallographic axis [001] perpendicular to the polarization vector of the femtosecond optical pulse, and the [100] axis parallel to the polarization vector of the electric field of the detected terahertz radiation pulse while simultaneous orientation of the last axis parallel or perpendicular to the polarization vector of the specified femtosecond optical pulse.
В частном случае выполнения предлагаемого рабочего узла детектора импульсного терагерцового излучения трапециевидная оптическая призма может быть выполнена из высокоомного кремния с углом 40°30' между её гранями, через которые осуществляется ввод детектируемого импульса терагерцового излучения в указанную в п.1 пластину, изготовленную из LiNbO3.In a particular case of the proposed working unit of a pulsed terahertz radiation detector, a trapezoidal optical prism can be made of high-resistance silicon with an angle of 40°30' between its faces, through which the detected terahertz radiation pulse is introduced into the plate specified in paragraph 1, made of LiNbO 3 .
Указанный угол рассчитан из условий Черенковского синхронизма между импульсом терагерцового излучения и оптическим фемтосекундным импульсом в кристалле LiNbO3.The indicated angle was calculated from the conditions of Cherenkov synchronism between a terahertz radiation pulse and an optical femtosecond pulse in a LiNbO3 crystal.
На фиг. 1 представлено схематическое изображение предлагаемого рабочего узла детектора импульсного терагерцового излучения (с вынесенными из кристалла LiNbO3 осями [001] и [100]); на фиг. 2 - вид сбоку рабочего узла детектора импульсного терагерцового излучения, на котором изображён ход импульса терагерцового излучения и зондирующего оптического фемтосекундного импульсов в пластине из LiNbO3 и кремниевой призме; на фиг. 3 и 4 - построены спектральные плотности электрического поля импульса терагерцового излучения, полученные в примерах 1 и 2 с помощью предлагаемого рабочего узла детектора импульсного терагерцового излучения при использовании волоконного Er3+ лазера с длиной волны 1550 нм (пример 1) и при использовании Ti:sapphire лазера с длиной волны 800 нм (пример 2).In fig. Figure 1 shows a schematic representation of the proposed working unit of a pulsed terahertz radiation detector (with the [001] and [100] axes removed from the LiNbO 3 crystal); in fig. 2 is a side view of the working unit of a pulsed terahertz radiation detector, which shows the course of a terahertz radiation pulse and a probing optical femtosecond pulse in a LiNbO 3 plate and a silicon prism; in fig. 3 and 4 - the spectral densities of the electric field of a terahertz radiation pulse are plotted, obtained in examples 1 and 2 using the proposed working unit of a pulsed terahertz radiation detector using an Er 3+ fiber laser with a wavelength of 1550 nm (example 1) and using Ti:sapphire laser with a wavelength of 800 nm (example 2).
Предлагаемый рабочий узел детектора импульсного терагерцового излучения (см. фиг. 1) состоит из электрооптического кристалла LiNbO3 в форме пластины 1 и выполняющей роль оптического соединительного элемента трапециевидной оптической призмы 2 из кремния, где местом соединения пластины 1 и призмы 2 является грань A1D1C1B1; входной гранью трапециевидной оптической призмы является грань A1D1D2A2. Соединение призмы и пластины (грань A1B1C1D1) происходит при помощи глубокого оптического контакта. Грани AA1D1D, BB1C1C, A1D1D2A2 оптически полированы.The proposed working unit of a detector of pulsed terahertz radiation (see Fig. 1) consists of an electro-optical LiNbO3 crystal in the form of a plate 1 and a trapezoidal optical prism 2 made of silicon, which acts as an optical connecting element, where the junction of plate 1 and prism 2 is the face A1D1C1B1; The input face of a trapezoidal optical prism is face A1D1D2A2. The connection between the prism and the plate (face A1B1C1D1) occurs using deep optical contact. The edges of AA1D1D, BB1C1C, A1D1D2A2 are optically polished.
Пластина 1 выполнена из кристалла LiNbO3, кристаллографическая ось [001] которого ориентирована вдоль границы раздела пластины 1 и призмы 2 и которая ориентирована перпендикулярно направлению поляризации зондирующего оптического фемтосекундного импульса, а кристаллографическая ось [100] которого ориентирована параллельно вектору поляризации детектируемого импульса терагерцового излучения и параллельно вектору поляризации указанного оптического фемтосекундного импульса (данная ориентация использована в приведённых ниже примерах проверки 1 и 2).Plate 1 is made of a LiNbO 3 crystal, the [001] crystallographic axis of which is oriented along the interface between plate 1 and prism 2 and which is oriented perpendicular to the polarization direction of the probing femtosecond optical pulse, and the [100] crystallographic axis of which is oriented parallel to the polarization vector of the detected terahertz radiation pulse and parallel to the polarization vector of the specified femtosecond optical pulse (this orientation is used in test examples 1 and 2 below).
Оптическая призма 2 выполнена таким образом, что острый угол призмы α=40°30' находится между гранью A1D1C1B1 призмы 2, и её внешней гранью A1D1D2A2.The optical prism 2 is designed in such a way that the acute angle of the prism α=40°30' is located between the edge A1D1C1B1 of the prism 2 and its outer edge A1D1D2A2.
Предлагаемый рабочий узел детектора импульсного терагерцового излучения работает следующим образом:The proposed working unit of the pulsed terahertz radiation detector operates as follows:
зондирующий оптический фемтосекундный импульс фокусируется на входную торцевую грань AA1D1D пластины 1, где распространяется вдоль оптической оси. Импульс терагерцового излучения фокусируется в пластину 1, проходя сквозь грани A1D1D2A2 и A1B1C1D1 призмы 2. Рабочий узел устанавливается таким образом, чтобы падение зондирующего оптического фемтосекундного импульса наThe probing optical femtosecond pulse is focused onto the input end face AA1D1D of plate 1, where it propagates along the optical axis. The terahertz radiation pulse is focused into plate 1, passing through the faces A1D1D2A2 and A1B1C1D1 of prism 2. The working unit is installed in such a way that the probing optical femtosecond pulse falls by
- 3 044770 грань AA1D1D пластины 1 и импульса терагерцового излучения на грань A1D1D2A2 призмы 2 было нормальным. Угол α=40°30' между примыкающей к пластине 1 гранью A1D1C1B1 и внешней гранью- 3 044770 face AA1D1D of plate 1 and the terahertz radiation pulse on face A1D1D2A2 of prism 2 was normal. Angle α=40°30' between the edge A1D1C1B1 adjacent to plate 1 and the outer edge
A1D1D2A2 подобран так, чтоб при нормальном падении импульса терагерцового излучения на граньA1D1D2A2 is selected so that with a normal incidence of a terahertz radiation pulse on the edge
A1D1D2A2 призмы 2 обеспечить распространение импульса терагерцового импульса под углом Черенкова относительно оптического фемтосекундного импульса в кристалле LiNbO3.A1D1D2A2 of prism 2 ensure the propagation of the terahertz pulse at the Cherenkov angle relative to the optical femtosecond pulse in the LiNbO 3 crystal.
Поляризации электрических полей оптического фемтосекундного импульса и импульса терагерцового излучения ортогональны оптической оси кристалла LiNbO3, что позволяет данным импульсам распространяться внутри пластины 1 как обыкновенным волнам и не испытывать паразитного влияния собственного двулучепреломления LiNbO3. Под действием электрического поля терагерцового излучения, за счёт эффекта Поккельса, происходит изменение поляризации оптического фемтосекундного импульса.The polarizations of the electric fields of the femtosecond optical pulse and the terahertz radiation pulse are orthogonal to the optical axis of the LiNbO 3 crystal, which allows these pulses to propagate inside plate 1 as ordinary waves and not experience the parasitic influence of the LiNbO 3 ’s own birefringence. Under the influence of the electric field of terahertz radiation, due to the Pockels effect, a change in the polarization of the femtosecond optical pulse occurs.
Вместе с тем, пластина 1 из кристалла LiNbO3, изменяющая поляризацию зондирующего оптического фемтосекундного импульса под действием электрического поля импульса терагерцового излучения, имеет следующую ориентацию кристаллографической оси [001]: данная ось ориентирована перпендикулярно вектору поляризации оптического фемтосекундного импульса, что позволяет взаимноперпендикулярно поляризованным компонентам оптического фемтосекундного импульса распространяться с одинаковыми скоростями и не испытывать паразитного влияния собственного двулучепреломления LiNbO3. При этом ориентируя кристаллографическую ось [100] пластины 1 параллельно вектору поляризации детектируемого терагерцового излучения и одновременно параллельно вектору поляризации оптического фемтосекундного импульса можно добиться максимальной чувствительности детектора импульсного терагерцового излучения путем максимизации измеряемых изменений поляризации зондирующего оптического фемтосекундного импульса.At the same time, plate 1 made of LiNbO 3 crystal, which changes the polarization of the probing optical femtosecond pulse under the influence of the electric field of the terahertz radiation pulse, has the following orientation of the crystallographic axis [001]: this axis is oriented perpendicular to the polarization vector of the optical femtosecond pulse, which allows mutually perpendicularly polarized components of the optical femtosecond pulse femtosecond pulse propagate at the same speeds and do not experience the parasitic influence of the intrinsic birefringence of LiNbO 3 . In this case, by orienting the crystallographic axis [100] of plate 1 parallel to the polarization vector of the detected terahertz radiation and simultaneously parallel to the polarization vector of the optical femtosecond pulse, it is possible to achieve maximum sensitivity of the detector of pulsed terahertz radiation by maximizing the measured changes in the polarization of the probing optical femtosecond pulse.
Обоснование эффективной работоспособности предлагаемого рабочего узла детектора импульсного терагерцового излучения.Justification of the effective performance of the proposed working unit of the pulsed terahertz radiation detector.
Упомянутая кристаллографическая ось [001] кристалла LiNbO3 является также оптической осью данного кристалла (см. книгу на русск. яз. авторов Ярив А., Юх П. Оптические волны в кристаллах, М. Мир, 1987, с. 257), следовательно взаимноперпендикулярно поляризованные компоненты оптического фемтосекундного импульса будут распространятся с одинаковыми скоростями, что не будет приводить к пространственному разделению указанных компонент оптического фемтосекундного импульса. Таким образом, удаётся избежать нежелательного влияния собственного двулучепреломления LiNbO3. Однако при данной ориентации кристаллографической оси величина нелинейной поляризации будет пропорциональна компоненте тензора нелинейной восприимчивости d22, которая меньше компоненты тензора нелинейной восприимчивости d33, которой пропорциональна величина нелинейной поляризации в схеме, используемой в прототипе. Что может привести к снижению чувствительности детектора импульсного терагерцового излучения.The mentioned crystallographic axis [001] of the LiNbO 3 crystal is also the optical axis of this crystal (see the book in Russian by the authors Yariv A., Yukh P. Optical waves in crystals, M. Mir, 1987, p. 257), therefore mutually perpendicular the polarized components of the optical femtosecond pulse will propagate at the same speeds, which will not lead to spatial separation of these components of the optical femtosecond pulse. Thus, it is possible to avoid the undesirable influence of the intrinsic birefringence of LiNbO 3 . However, for a given orientation of the crystallographic axis, the magnitude of the nonlinear polarization will be proportional to the nonlinear susceptibility tensor component d 22 , which is less than the nonlinear susceptibility tensor component d 33 , which is proportional to the magnitude of the nonlinear polarization in the circuit used in the prototype. Which can lead to a decrease in the sensitivity of the pulsed terahertz radiation detector.
Для получения приемлемой чувствительности детектора импульсного терагерцового излучения кристаллографическая ось [100] была ориентирована параллельно вектору поляризации импульса терагерцового излучения и параллельно или перпендикулярно вектору поляризации оптического фемтосекундного импульса. Данное взаиморасположение кристаллографической оси и векторов поляризаций импульса терагерцового излучения и оптического фемтосекундного импульса следует из условия максимизации значения нелинейной поляризации при условии, что кристаллографическая ось [001] кристалла LiNbO3 ориентирована перпендикулярно вектору поляризации оптического фемтосекундного импульса.To obtain an acceptable sensitivity of the pulsed terahertz radiation detector, the [100] crystallographic axis was oriented parallel to the polarization vector of the terahertz radiation pulse and parallel or perpendicular to the polarization vector of the femtosecond optical pulse. This relative position of the crystallographic axis and the polarization vectors of the terahertz radiation pulse and the femtosecond optical pulse follows from the condition of maximizing the value of nonlinear polarization, provided that the [001] crystallographic axis of the LiNbO 3 crystal is oriented perpendicular to the polarization vector of the femtosecond optical pulse.
При этом рассмотрение вектора нелинейной поляризации при различных поляризациях импульса терагерцового излучения охватывает случаи:In this case, consideration of the nonlinear polarization vector for different polarizations of a terahertz radiation pulse covers the following cases:
а) если вектор поляризации импульса терагерцового излучения ортогонален кристаллографической оси [100], тогда нелинейная поляризация принимает вид:a) if the polarization vector of the terahertz radiation pulse is orthogonal to the crystallographic axis [100], then the nonlinear polarization takes the form:
Р7 =2d22EOBtETHlsin(2p)cos(ach), (1) где d22 - компонент тензора нелинейной восприимчивости,Р7 =2d 22 E OBt E THl sin(2p)cos(a ch ), (1) where d 22 is the component of the nonlinear susceptibility tensor,
Eopt - напряженность электрического поля оптического фемтосекундного импульса,E opt is the electric field strength of the femtosecond optical pulse,
ETHz - напряженность электрического поля импульса терагерцового излучения, β - угол между векторами поляризаций оптического фемтосекундного импульса и импульса терагерцового излучения, ach - черенковский угол;E THz is the electric field strength of the terahertz radiation pulse, β is the angle between the polarization vectors of the optical femtosecond pulse and the terahertz radiation pulse, ach is the Cherenkov angle;
б) если вектор поляризации импульса терагерцового излучения параллелен кристаллографической оси [100], то нелинейная поляризация принимает вид:b) if the polarization vector of the terahertz radiation pulse is parallel to the crystallographic axis [100], then the nonlinear polarization takes the form:
Р“ =-2d22E0PtETHzcos(2p). (2)P“ = -2d 22 E 0Pt E THz cos(2p). (2)
Очевидно, что в случае, когда вектор поляризации импульса терагерцового излучения параллелен кристаллографической оси [100], а угол β равен либо 0, либо π/2, т.е. вектор поляризации оптического фемтосекундного импульса параллелен или перпендикулярен кристаллографической оси [100], то значение нелинейной поляризации будет максимальным, таким образом, максимальными будут измеряемые поляризационные изменения в зондирующем оптическом фемтосекундном импульсе, и как следствие, чувствительность детектора импульсного терагерцового излучения.It is obvious that in the case when the polarization vector of the terahertz radiation pulse is parallel to the crystallographic axis [100], and the angle β is equal to either 0 or π/2, i.e. the polarization vector of the optical femtosecond pulse is parallel or perpendicular to the crystallographic axis [100], then the value of nonlinear polarization will be maximum, thus, the measured polarization changes in the probing optical femtosecond pulse will be maximum, and as a result, the sensitivity of the detector of pulsed terahertz radiation will be maximum.
--
Claims (1)
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021128525 | 2021-09-29 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| EA044770B1 true EA044770B1 (en) | 2023-09-28 |
Family
ID=
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10331010B2 (en) | Terahertz-wave generating element terahertz-wave detecting element and terahertz time-domain spectroscopy device | |
| Naftaly | Terahertz metrology | |
| US9091869B2 (en) | Terahertz-wave element, terahertz-wave detecting device, and terahertz time-domain spectroscopy system | |
| US8415625B2 (en) | Total reflection terahertz wave measurement device | |
| US5952818A (en) | Electro-optical sensing apparatus and method for characterizing free-space electromagnetic radiation | |
| JP2015222414A (en) | Terahertz wave generator, and measuring apparatus using the same | |
| US8759779B2 (en) | Terahertz wave generation element, terahertz wave detection element, and terahertz time domain spectral device | |
| JP2012068621A5 (en) | ||
| Winta et al. | Second-harmonic phonon spectroscopy of α-quartz | |
| US7242010B2 (en) | GaSe crystals for broadband terahertz wave detection | |
| Zheng et al. | Electro-optic sampling system with a single-crystal 4-N, N-dimethylamino-4′-N′-methyl-4-stilbazolium tosylate sensor | |
| RU2777461C1 (en) | Working node of the pulsed terahertz radiation detector | |
| EA044770B1 (en) | WORKING UNIT OF PULSE TERAHERTZ RADIATION DETECTOR | |
| Vetrov et al. | A highly sensitive technique for measurements of the Kerr electrooptic coefficient in glasses and glass ceramics | |
| JP2013174513A (en) | Method and apparatus for detecting electromagnetic waves | |
| Kitahara et al. | Sensitivity Improvement of Heterodyne Electro-Optic Sampling | |
| US11274969B2 (en) | Method and system for terahertz radiation detection and characterization | |
| Kniazkov | Estimation of electrooptic coefficients of LiNbO 3 and Sr x Ba (1− x) Nb 2 O 6 crystals by modulation of light reflection coefficient | |
| delos Santos et al. | Metal-Coated< 100>-Cut GaAs Coupled to Tapered Parallel-Plate Waveguide for Cherenkov-Phase-Matched Terahertz Detection: Influence of Crystal Thickness | |
| Han et al. | Ultrafast electro-optic sensors and magneto-optic sensors for THz beams | |
| Jin et al. | Fast and simultaneous measurement of both birefringence and azimuth angle using a y-cut LiNbO3 phase modulator | |
| RU2637182C2 (en) | Operating node of pulsed terahertz radiation detector | |
| Lee et al. | Pump-probe study of E (TO) polaritons in Zn-doped LiNbO3 | |
| Nahata et al. | Broadband phase-matched generation and detection of terahertz radiation | |
| Zalden et al. | THz-induced Kerr effect in polar liquids |