RU2637182C2

RU2637182C2 - Operating node of pulsed terahertz radiation detector

Info

Publication number: RU2637182C2
Application number: RU2015148574A
Authority: RU
Inventors: Михаил Иванович Бакунов; Евгений Александрович Машкович; Александр Иванович Шугуров
Priority date: 2015-11-11
Filing date: 2015-11-11
Publication date: 2017-11-30
Also published as: RU2015148574A

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: detector provides the terahertz radiation detection by changing the direction of the optical femtosecond pulse polarization vector under the action of the terahertz wave electric field. The working unit of the detector is made on the basis of a plate made of a zinc blende crystal with isotropic refractive indices in the optical and terahertz frequency ranges and with the refractive index of optical and terahertz radiation sufficient to provide the Cherenkov angle inside the plate between the directions of their propagation under direct irradiation of the plate input surface with terahertz radiation. The plate is made with the arrangement of its transverse plane of cut perpendicular to the crystallographic axis [110] of the crystal and has a crystallographic axis

, which is parallel to the terahertz radiation polarization vector, and the crystallographic axis [001] or

, which is parallel to the optical pulse polarization vector.

EFFECT: simplifying the design of the detector and extending the wavelength range of the optical pulse laser sources.

4 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам для регистрации терагерцового излучения, функционирующим на основе эффекта Поккельса при обеспечении условий Черенковского синхронизма, 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 detecting terahertz radiation, operating on the basis of the Pockels effect under the conditions of Cherenkov synchronism, 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.

Эффект Поккельса (см., например, переводную с англ. яз. книгу авторов Ярива А. и Юха П. «Оптические волны в кристаллах». М.: Мир, 1987, гл. 7, с. 238), заключающийся в наведении электрическим полем терагерцового импульса в электрооптическом кристалле двойного лучепреломления, приводит к изменению направления вектора поляризации ультракороткого оптического импульса после прохождении им электрооптического кристалла синхронно с терагерцовым импульсом и, таким образом, создает возможность детектирования (измерения временной формы) импульсного терагерцового излучения методом электрооптического стробирования (подробное описание механизма снятия временной формы терагерцового импульса раскрыто в работе Царева М.В. «Генерация и регистрация терагерцового излучения ультракороткими лазерными импульсами». Нижний Новгород, Нижегородский госуниверситет, 2011, гл. 2, с. 42 на сайте в Интернете: http://www.unn.ru/books/met_files/terahertz.pdf).The Pockels effect (see, for example, a translation from English by the authors Yariv A. and Juh P., “Optical waves in crystals.” M: Mir, 1987, chap. 7, p. 238), which consists in inducing electric by the terahertz pulse field in the electro-optical birefringent crystal, it changes the direction of the polarization vector of the ultrashort optical pulse after it passes the electro-optical crystal synchronously with the terahertz pulse and, thus, makes it possible to detect (measure the temporal shape) of the pulsed ter of hertz radiation by electro-optical gating (a detailed description of the mechanism for removing the temporal shape of a terahertz pulse is disclosed in the work of MV Tsarev “Generation and registration of terahertz radiation by ultrashort laser pulses.” Nizhny Novgorod, Nizhny Novgorod State University, 2011, Ch. 2, p. 42 on the site on the Internet: http://www.unn.ru/books/met_files/terahertz.pdf).

При этом эффект Поккельса допускает два различных варианта осуществления указанного детектирования, называемые коллинеарный и неколлинеарный методы.In this case, the Pokels effect allows two different options for the implementation of this detection, called collinear and noncollinear methods.

Первый вариант (коллинеарный метод) основывается на использовании эффекта Поккельса в условиях совместного распространения оптического импульса и терагерцового излучения в одном направлении. Для обеспечения оптимального режима детектирования необходимо соблюдение условия равенства групповой скорости оптического импульса и фазовой скорости терагерцового излучения. Согласно данному условию коллинеарный метод эффективен на строго фиксированной длине волны оптического импульса, определяемой оптическими свойствами электрооптического кристалла и задающей ограничения толщины этого кристалла, приводящие к резкому уменьшению указанной толщины при уходе от указанной длины волны оптического импульса (см. статью на англ. яз. авторов Mashkovich Е.А., Shugurov A.I,, Ozawa S., Estacio E., Tani M. and Bakunov M.I. «Noncollinear Electro-Optic Sampling of Terahertz Waves in a Thick GaAs Crystal» - IEEE Transactions on terahertz science and technology. 2015, vol. 5, no. 5, p. 732-736 с датой публикации 19 августа 2015 г. - в пределах полугодовой льготы заявителя настоящей заявки по новизне на сайте в Интернет: http://ieeexplore.ieee.org/xpl/articleDetails.jsp?reload=true&arnumber=7210239&filter%3DAND%28p_IS_Number%3A7230313%29). При этом коллинеарный метод характеризуется недостаточно высокой технологичностью осуществления в расширенном интервале длин волн лазерных источников оптических импульсов и выходит за рамки рассматриваемого в настоящей заявке режима функционирования предлагаемого рабочего узла детектора импульсного терагерцового излучения.The first option (collinear method) is based on the use of the Pockels effect under conditions of joint propagation of an optical pulse and terahertz radiation in one direction. To ensure the optimal detection mode, it is necessary to comply with the condition of equality of the group velocity of the optical pulse and the phase velocity of terahertz radiation. According to this condition, the collinear method is effective at a strictly fixed wavelength of the optical pulse, determined by the optical properties of the electro-optical crystal and setting restrictions on the thickness of this crystal, leading to a sharp decrease in this thickness when moving away from the specified wavelength of the optical pulse (see article in English by the authors Mashkovich EA, Shugurov AI ,, Ozawa S., Estacio E., Tani M. and Bakunov MI “Noncollinear Electro-Optic Sampling of Terahertz Waves in a Thick GaAs Crystal” - IEEE Transactions on terahertz science and technology. 2015, vol. 5, no. 5, p. 732-736 with the publication date August 19, 2015 - in Within the six-month benefit of the applicant of this application for novelty on the Internet site: http://ieeexplore.ieee.org/xpl/articleDetails.jsp?reload=true&arnumber=7210239&filter%3DAND%28p_IS_Number%3A7230313%29). In this case, the collinear method is not characterized by a sufficiently high technological effectiveness in the implementation of an extended wavelength range of laser sources of optical pulses and is beyond the scope of the operation mode of the proposed working site of a pulsed terahertz radiation detector considered in this application.

Второй рассматриваемый в настоящей заявке вариант (неколлинеарный метод) основывается на использовании эффекта Поккельса в условиях Черенковского синхронизма (см. указанную выше статью), заключающегося в режиме соблюдения угла Черенкова между направлениями распространения оптического импульса и терагерцового излучения, при котором для обеспечения оптимального режима детектирования необходимо соблюдение условия равенства проекции групповой скорости оптического импульса на направление распространения терагерцового излучения и фазовой скорости терагерцового излучения. При этом в результате изменения режима Черенковского синхронизма появляется возможность эффективного детектирования в расширенном диапазоне длин волн оптических импульсов с устранением ограничения толщины электрооптического кристалла, свойственного коллинеарному методу.The second option considered in this application (non-collinear method) is based on the use of the Pokels effect under Cherenkov synchronism conditions (see the above article), which consists in observing the Cherenkov angle between the directions of propagation of the optical pulse and terahertz radiation, in which it is necessary to ensure the optimal detection mode compliance with the condition for the equality of the projection of the group velocity of the optical pulse on the direction of propagation of terahertz radiation and the calling speed of terahertz radiation. In this case, as a result of a change in the Cherenkovsky synchronism mode, it becomes possible to efficiently detect optical pulses in an extended wavelength range while eliminating the limitation of the thickness of the electro-optical crystal inherent in the collinear method.

Уровень техники в области средств детектирования, основанного на использовании эффекта Поккельса при обеспечении условий Черенковского синхронизма (неколлинеарного метода - второго варианта осуществления эффекта Поккельса), характеризуется крайне малым количеством источников информации со сведениями о средствах указанного детектирования в сравнении с коллинеарным методом (см., например, содержащие сведения о коллинеарном методе патенты US 6111416 A, G01R 31/308, 2000; US 6414473 B1, G01R 31/00, 2002; US 6865014 B2, G02F 1/355, 2005; US 7177071 B2, G01J 5/00, 2007; US 7894126 B2 G02F 1/355, G02F 1/35, 2011).The prior art in the field of detection tools based on the use of the Pockels effect under the conditions of the Cherenkov synchronism (non-collinear method — the second embodiment of the Pokels effect) is characterized by an extremely small number of information sources with information about the means of this detection in comparison with the collinear method (see, for example US Pat. No. 6,111,416 A, G01R 31/308, 2000; US 6414473 B1, G01R 31/00, 2002; US 6865014 B2, G02F 1/355, 2005; US 7177071 B2, G01J 5/00, 2007 containing collinear method information ; US 7894126 B2 G02F 1/355, G02F 1/35, 2011).

Так известен усложненный конструктивно детектор импульсного терагерцового излучения, в котором рабочий узел выполнен из электрооптического кристалла и специальной оптической структуры для ввода терагерцового излучения (см. заявку WO 2015053138, G02F 1/35, G02F 1365, 2015).Thus, a structurally complex detector of pulsed terahertz radiation is known, in which the working unit is made of an electro-optical crystal and a special optical structure for introducing terahertz radiation (see application WO 2015053138, G02F 1/35, G02F 1365, 2015).

В качестве прототипа предлагаемого рабочего узла детектора импульсного терагерцового излучения выбран известный аналогичный узел детектора импульсного терагерцового излучения, выполненный на основе пластины, изготовленной из электрооптического кристалла с его ориентацией по отношению к направлениям распространения терагерцового излучения и оптического фемтосекундного импульса, обеспечивающим детектирование терагерцового излучения путем изменения направления вектора поляризации оптического фемтосекундного импульса под действием электрического поля терагерцовой волны за счет эффекта Поккельса при обеспечении условий Черенковского синхронизма, задающего взаимное соответствие скоростных и пространственных характеристик терагерцового излучения и указанного оптического импульса (см. статью на англ. яз. авторов Tani М. et al. «Efficient electro-optic sampling detection of terahertz radiation via Cherenkov phase matching» - OPTICS EXPRESS. 2011, vol. 19, no. 21, p. 19901-19906).As a prototype of the proposed working node of a pulsed terahertz radiation detector, a well-known analogous node of a pulsed terahertz radiation detector is selected, made on the basis of a plate made of an electro-optical crystal with its orientation with respect to the propagation directions of terahertz radiation and an optical femtosecond pulse, which ensures detection of terahertz radiation by changing the direction the polarization vector of the optical femtosecond pulse under the action the influence of the electric field of a terahertz wave due to the Pockels effect under the conditions of Cherenkov synchronism, which sets the speed and spatial characteristics of terahertz radiation and the indicated optical pulse (see the article in English by Tani M. et al. “Efficient electro-optic sampling detection of terahertz radiation via Cherenkov phase matching ”- OPTICS EXPRESS. 2011, vol. 19, no. 21, p. 19901-19906).

В указанной статье линейно поляризованный оптический пучок с длительностью импульса 80 фс и центральной длиной волны 800 нм фокусируется на торцевую поверхность пластины LiNbO₃, терагерцовое излучение вводится в указанную пластину посредством кремниевой призмы, срезанной под Черенковским углом и прикрепленной к пластине. Прошедший через пластину оптический пучок проходит четвертьволновую пластину, линзу и отражается от зеркала назад. После двукратного прохождения пластины изменение направления вектора поляризации оптического пучка фиксируется с помощью схемы, состоящей из четвертьволновой пластины, призмы Волластона и балансного фотоприемника. При этом поляризация терагерцового излучения параллельна кристаллографической оси пластины LiNbO₃ [001], а поляризация оптического пучка при первом проходе через пластину составляет угол 45° с данной осью.In this article, a linearly polarized optical beam with a pulse duration of 80 fs and a central wavelength of 800 nm is focused on the end surface of the LiNbO ₃ plate, terahertz radiation is introduced into the specified plate by means of a silicon prism cut at a Cherenkov angle and attached to the plate. The optical beam passing through the plate passes through the quarter-wave plate, the lens, and is reflected back from the mirror. After passing through the plate twice, the change in the direction of the polarization vector of the optical beam is detected using a circuit consisting of a quarter-wave plate, a Wollaston prism, and a balanced photodetector. In this case, the polarization of terahertz radiation is parallel to the crystallographic axis of the LiNbO ₃ [001] plate, and the polarization of the optical beam during the first passage through the plate makes an angle of 45 ° with this axis.

Недостатком прототипа является необходимость двойного прохода оптического пучка через пластину с целью компенсации влияния естественной анизотропии кристалла LiNbO₃, что сильно усложняет юстировку оптической схемы и требует дополнительной оптики. Кроме того, для соблюдения Черенковского угла необходимо само наличие кремниевой призмы для ввода терагерцового излучения в пластину, угол среза которой определяется длиной волны оптического импульса и дисперсией кристалла LiNbO₃. В связи с этим использование призмы в расширенном диапазоне длин волн оптического импульса уменьшает чувствительность детектора терагерцового излучения на основе прототипа.The disadvantage of the prototype is the need for double passage of the optical beam through the plate in order to compensate for the influence of the natural anisotropy of the LiNbO ₃ crystal, which greatly complicates the alignment of the optical scheme and requires additional optics. In addition, in order to comply with the Cherenkov angle, the very presence of a silicon prism is necessary for introducing terahertz radiation into the plate, the cutoff angle of which is determined by the wavelength of the optical pulse and the dispersion of the LiNbO ₃ crystal. In this regard, the use of a prism in the extended wavelength range of the optical pulse reduces the sensitivity of the terahertz radiation detector based on the prototype.

Технический результат предлагаемого изобретения - разработка оптимального рабочего узла детектора импульсного терагерцового излучения, работающего в расширенном диапазоне длин волн лазерных источников оптических импульсов и функционирующего на основе эффекта Поккельса при обеспечении условий Черенковского синхронизма, в результате повышения технологичности изготовления и настройки указанного узла за счет исключения из его конструкции кремниевой призмы для ввода терагерцового излучения под Черенковским углом и осуществления прямого облучения входной поверхности пластины терагерцовым излучением, распространяющимся в пластине под Черенковским углом к направлению распространения оптического импульса при условии изготовления пластины из кристалла с предлагаемыми изотропными показателями преломления в оптическом и терагерцовом диапазоне частот, относящегося к группе кристаллов типа цинковой обманки, и предлагаемой ориентацией кристаллографических осей кристалла по отношению к геометрии пластины и направлениям вектора поляризации терагерцового излучения и вектора поляризации оптического импульса.The technical result of the invention is the development of an optimal operating unit for a pulsed terahertz radiation detector operating in an extended wavelength range of laser sources of optical pulses and operating on the basis of the Pockels effect under the conditions of Cherenkov synchronism, as a result of improving the manufacturability of manufacturing and tuning of this unit by excluding design of a silicon prism for introducing terahertz radiation at the Cherenkov angle and irradiation of the input surface of the wafer with terahertz radiation propagating in the wafer at a Cherenkov angle to the direction of propagation of the optical pulse, provided that the wafer is made of a crystal with the proposed isotropic refractive indices in the optical and terahertz frequency ranges pertaining to a group of crystals such as zinc blende and the proposed orientation of the crystallographic axes crystal with respect to the plate geometry and directions of the polarization vector of terahertz radiation and the polarization vector of the optical pulse.

Предлагаемый рабочий узел детектора импульсного терагерцового излучения, кроме того, расширяет арсенал приборных средств в области актуальной терагерцовой технологии.The proposed working site of the detector of pulsed terahertz radiation, in addition, expands the arsenal of instrumentation in the field of current terahertz technology.

Для достижения указанного технического результата в рабочем узле детектора импульсного терагерцового излучения, выполненном на основе пластины, изготовленной из электрооптического кристалла с его ориентацией по отношению к направлениям распространения терагерцового излучения и оптического фемтосекундного импульса, обеспечивающим детектирование терагерцового излучения путем изменения направления вектора поляризации оптического фемтосекундного импульса под действием электрического поля терагерцовой волны за счет эффекта Поккельса при обеспечении условий Черенковского синхронизма, задающего взаимное соответствие скоростных и пространственных характеристик терагерцового излучения и указанного оптического импульса, пластина изготовлена из кристалла с изотропными показателями преломления в оптическом и терагерцовом диапазоне частот, относящегося к группе кристаллов типа цинковой обманки, с величиной углов преломления оптического и терагерцового излучений, достаточных для обеспечения внутри пластины Черенковского угла между направлениями их распространения в условиях прямого облучения входной поверхности пластины терагерцовым излучением, причем она изготовлена с расположением ее поперечной плоскости среза перпендикулярно к кристаллографической оси [110] указанного кристалла и имеет кристаллографическую ось

, которая параллельна вектору поляризации терагерцового излучения, и кристаллографическую ось [001] или

, которая параллельна вектору поляризации оптического импульса.To achieve the specified technical result in the working node of the pulsed terahertz radiation detector, made on the basis of a plate made of an electro-optical crystal with its orientation with respect to the propagation directions of terahertz radiation and an optical femtosecond pulse, which ensures the detection of terahertz radiation by changing the direction of the polarization vector of the optical femtosecond pulse under the action of the electric field of a terahertz wave due to the Pokke effect Under conditions of Cherenkov synchronism, which sets the speed and spatial characteristics of terahertz radiation and the indicated optical pulse, the plate is made of a crystal with isotropic refractive indices in the optical and terahertz frequency ranges, belonging to the group of crystals of the type of zinc blende, with the angle of refraction of optical and terahertz radiation sufficient to provide inside the Cherenkovsky plate angle between the directions of their propagation eniya under direct irradiation entrance surface plate terahertz radiation, wherein it is manufactured with the location of its transverse plane cut perpendicularly to the crystallographic axis [110] of said crystal and a crystallographic axis

which is parallel to the polarization vector of terahertz radiation, and the crystallographic axis [001] or

which is parallel to the polarization vector of the optical pulse.

В частном случае пластина предлагаемого рабочего узла сориентирована своей входной поверхностью нормально к направлению распространения терагецового излучения, изготовлена из арсенида галлия и при ее облучении оптическим фемтосекундным импульсом с центральной длиной волны 1,55 мкм и углом падения этого оптического импульса на пластину в пределах интервала 42-50° равна 13 мм.In a particular case, the plate of the proposed working site is oriented normally with its input surface to the direction of propagation of terahertz radiation, made of gallium arsenide and when it is irradiated with an optical femtosecond pulse with a central wavelength of 1.55 μm and the angle of incidence of this optical pulse on the plate within the interval 42- 50 ° is 13 mm.

Известное использование арсенида галлия в качестве материала пластины рабочего узла детектора импульсного терагерцового излучения (см. схему на фиг. 3 в статье на англ. яз. Nagai М. et al. «Generation and detection of terahertz radiation by electro-optical process in GaAs using 1.56 mm fiber laser pulses» - APPLIED PHYSICS LETTERS. 2004, vol. 85, no. 18, p. 3974-3976) не противоречит наличию у предлагаемого рабочего узла изобретательского уровня, т.к. является осуществлением коллинеарного метода без востребования в нем оптических свойств пластины из арсенида галлия, обеспечивающих в предлагаемом способе осуществление условий Черенковского синхронизма без призмы ввода терагерцового излучения, присутствующей в известных неколлинеарных методах.Known use of gallium arsenide as the material of the plate of the working unit of a pulsed terahertz radiation detector (see the diagram in Fig. 3 in the article in English by Nagai M. et al. “Generation and detection of terahertz radiation by electro-optical process in GaAs using 1.56 mm fiber laser pulses "- APPLIED PHYSICS LETTERS. 2004, vol. 85, no. 18, p. 3974-3976) does not contradict the presence of the inventive step of the proposed work unit, because is the implementation of the collinear method without demanding the optical properties of the gallium arsenide plate in it, which ensure the implementation of the Cherenkov synchronism conditions in the proposed method without the terahertz radiation input prism present in the known non-collinear methods.

Основным недостатком коллинеарного метода являются ограничения по толщине кристалла арсенида галлия, приводящие к ее нетехнологичному уменьшению (например, менее 1 мм при детектировании терагерцового излучения с частотой, большей 1,5 ТГц) при детектировании в расширенном диапазоне длин волн оптических импульсов. При этом малая толщина пластины приводит к уменьшению электрооптического отклика (уменьшению чувствительности детектора терагерцового излучения) и сокращению временного окна между основным импульсом и отражением от выходной границы кристалла, что в свою очередь ограничивает спектральное разрешение детектора импульсного терагерцового излучения. Кроме того, запись временной формы вместе с переотражением ведет к искажению спектра терагерцового импульса - появлению артефактов.The main drawback of the collinear method is the limitations on the thickness of the gallium arsenide crystal, which leads to its non-technological reduction (for example, less than 1 mm when detecting terahertz radiation with a frequency greater than 1.5 THz) when detecting optical pulses in an extended wavelength range. In this case, the small plate thickness leads to a decrease in the electro-optical response (a decrease in the sensitivity of the terahertz radiation detector) and a reduction in the time window between the main pulse and reflection from the output boundary of the crystal, which in turn limits the spectral resolution of the pulsed terahertz radiation detector. In addition, recording a temporary form along with re-reflection leads to a distortion of the spectrum of the terahertz pulse - the appearance of artifacts.

Изобретательский уровень предлагаемого рабочего узла заключается в использовании для детектирования на основе эффекта Поккельса в условиях Черенковского синхронизма пластины, изготовленной из кристалла с изотропными показателями преломления в оптическом и терагерцовом диапазоне частот, относящегося к группе кристаллов типа цинковой обманки, с новым использованием их оптических свойств, заключающихся в способности обеспечить Черенковский угол между направлениями распространения оптического и терагерцового излучений в пластине, благодаря достаточности их углов преломления, в условиях прямого облучения входной поверхности пластины терагерцовым излучением с предлагаемой ориентацией кристаллографических осей кристалла по отношению к геометрии пластины и направлениям вектора поляризации терагерцового излучения и вектора поляризации оптического импульса (при известном осуществлении Черенковского синхронизма - с кремниевой призмой для ввода терагерцового излучения под Черенковским углом), в результате чего обеспечивается новое качество - повышение технологичности изготовления и настройки указанного узла за счет исключения из его конструкции кремниевой призмы для ввода терагерцового излучения в условиях Черенковского синхронизма.The inventive step of the proposed work site consists in using a plate made of a crystal with isotropic refractive indices in the optical and terahertz frequency ranges related to the group of crystals of the zinc blende type with a new use of their optical properties for detection based on the Pockels effect under the Cherenkov synchronism conditions. in the ability to provide the Cherenkov angle between the directions of propagation of optical and terahertz radiation in the plate, due to the sufficiency of their refraction angles, under conditions of direct irradiation of the input surface of the plate with terahertz radiation with the proposed orientation of the crystallographic axes of the crystal with respect to the geometry of the plate and the directions of the polarization vector of terahertz radiation and the polarization vector of the optical pulse (with the well-known implementation of Cherenkov synchronism - with a silicon prism for introducing terahertz radiation at the Cherenkov angle), as a result of which a new quality is provided - improving the technology NOSTA manufacturing and setting said node due to the exclusion of its construction silicon prism input terahertz radiation under conditions Cherenkov synchronism.

В известных тезисах авторов Шугурова А.И., Машковича Е.А. и Бакунова М.И. «Неколлинеарное детектирование терагерцовых импульсов в кристалле GaAs» - Труды восемнадцатой научной конференции по радиофизике, Нижний Новгород, Нижегородский госуниверситет, 12-16 мая 2014 г., секция «Общая физика», с. 169-170, экспериментально подтверждающих обеспечение детектирования на основе эффекта Поккельса при обеспечении условий Черенковского синхронизма (неколлинеарным методом) с помощью пластины, изготовленной из арсенида галлия, не раскрыта сущность предлагаемого изобретения в соответствии с изложенным в настоящем описании изобретения техническим результатом.In the well-known theses of authors A. Shugurov, E. Mashkovich and Bakunova M.I. “Noncollinear detection of terahertz pulses in a GaAs crystal” - Proceedings of the eighteenth scientific conference on radiophysics, Nizhny Novgorod, Nizhny Novgorod State University, May 12–16, 2014, section “General Physics”, p. 169-170, experimentally confirming the provision of detection based on the Pockels effect under conditions of Cherenkov synchronism (noncollinear method) using a plate made of gallium arsenide, the essence of the invention in accordance with the technical result set forth in the present description of the invention has not been disclosed.

На фиг. 1 представлен пример пластины предлагаемого рабочего узла детектора импульсного терагерцвого излучения; на фиг. 2а - схема функционирования предлагаемого рабочего узла; на фиг. 2б - пример схемы детектора на основе заявляемого рабочего узла; на фиг. 3 - зависимость угла падения α оптического импульса на пластину, выполненную из ZnTe (I), GaP (II), InP (III) и GaAs (IV), при котором выполняются условия Черенковского синхронизма, от длины волны λ оптического импульса, иллюстрирующая работоспособность предлагаемого рабочего узла в широкой группе электрооптических кристаллов типа цинковой обманки; на фиг. 4 - экспериментальный спектр терагерцового излучения с пластиной рабочего узла, изготовленной из кристалла GaAs толщиной 13 мм и углом падения оптического импульса на кристалл α, равным 50°.In FIG. 1 shows an example of a plate of the proposed working site of a pulsed terahertz radiation detector; in FIG. 2a is a diagram of the functioning of the proposed working site; in FIG. 2b is an example of a detector circuit based on the claimed working unit; in FIG. 3 - dependence of the angle of incidence α of the optical pulse on a plate made of ZnTe (I), GaP (II), InP (III) and GaAs (IV), at which the Cherenkov synchronism conditions are satisfied, on the wavelength λ of the optical pulse, illustrating the performance of the proposed a working unit in a wide group of electro-optical crystals such as zinc blende; in FIG. 4 - experimental spectrum of terahertz radiation with a plate of the working unit made of a 13 mm-thick GaAs crystal and an angle of incidence of the optical pulse on the crystal α of 50 °.

Предлагаемый рабочий узел детектора импульсного терагерцового излучения выполнен из пластины 1 (см. фиг. 1), изготовленной из электрооптического кристалла с изотропным показателем преломления в оптическом и терагерцовом диапазоне частот с указанной на фиг. 1 ориентацией кристаллографической оси [110], перпендикулярной к поперечной плоскости среза пластины 1. Грани ABCD и A1B1C1D1 оптически полированы. Форма пластины может быть изменена - не влияет на достижение указанных технических результатов.The proposed operating unit of a pulsed terahertz radiation detector is made of a plate 1 (see FIG. 1) made of an electro-optical crystal with an isotropic refractive index in the optical and terahertz frequency ranges with the frequency indicated in FIG. 1 by the orientation of the crystallographic axis [110], perpendicular to the transverse plane of the slice of plate 1. The faces ABCD and A1B1C1D1 are optically polished. The shape of the plate can be changed - does not affect the achievement of the specified technical results.

Пластина 1 может быть изготовлена из кристалла арсенида галлия с толщиной 13 мм, причем входная поверхность пластины ортогональна направлению распространения терагерцового излучения с вектором поляризации, параллельным кристаллографической оси

, и облучение пластины 1 оптическим фемтосекундным импульсом с вектором поляризации, параллельным кристаллографической оси [001] или

, происходит на центральной длине волны 1,55 мкм и углом падения α оптического импульса на пластину в пределах интервала 42-50° (см. фиг. 2а), соответствующим углу преломления ~12°, что обеспечивает выполнение Черенковского синхронизма.Plate 1 can be made of a gallium arsenide crystal with a thickness of 13 mm, and the input surface of the plate is orthogonal to the direction of propagation of terahertz radiation with a polarization vector parallel to the crystallographic axis

, and irradiating the plate 1 with an optical femtosecond pulse with a polarization vector parallel to the crystallographic axis [001] or

occurs at a central wavelength of 1.55 μm and an angle of incidence α of the optical pulse on the plate within the interval 42-50 ° (see Fig. 2a), corresponding to a refraction angle of ~ 12 °, which ensures the fulfillment of Cherenkov synchronism.

Данная схема функционирования обеспечивает при работе предлагаемого рабочего узла детектора импульсного терагерцового излучения выполнение условий Черенковского синхронизма между оптическим импульсом и терагерцовой волной на частоте в пределах диапазона 0,1-2 ТГц. Возможная схема детектора показана на фиг. 2б.This functioning scheme ensures the operation of the proposed working node of the pulsed terahertz radiation detector satisfying the Cherenkov synchronism conditions between the optical pulse and the terahertz wave at a frequency within the range of 0.1-2 THz. A possible detector circuit is shown in FIG. 2b.

Предлагаемый рабочий узел детектора импульсного терагерцового излучения работает следующим образом.The proposed working site of the detector of pulsed terahertz radiation works as follows.

Линейно поляризованный терагецовый пучок фокусируется на пластину 1 нормально к ее поверхности. Линейно поляризованный оптический пучок фокусируется на пластину 1 под углом α (см. фиг. 2а) в место падения терагерцового пучка. Преломленный оптический пучок распространяется в пластине под углом γ (под Черенковским углом) к терагерцовому пучку. Ввиду указанной ориентации кристаллографических осей и геометрии распространения пучков после прохождения пластины 1 меняется направление вектора поляризации оптического пучка. Данные изменения поляризации фиксируются с помощью схемы детектора, состоящей из четвертьволновой пластины 2, призмы Волластона 3 и балансного фотоприемника 4 (см. фиг. 2б).A linearly polarized terahertz beam focuses on the plate 1 normally to its surface. A linearly polarized optical beam is focused onto the plate 1 at an angle α (see Fig. 2a) at the point of incidence of the terahertz beam. The refracted optical beam propagates in the plate at an angle γ (at the Cherenkov angle) to the terahertz beam. In view of the indicated orientation of the crystallographic axes and the beam propagation geometry, after passing through the plate 1, the direction of the polarization vector of the optical beam changes. These polarization changes are recorded using a detector circuit consisting of a quarter-wave plate 2, a Wollaston prism 3 and a balanced photodetector 4 (see Fig. 2b).

Кроме того, для получения наибольшего электрооптического отклика оптический пучок должен быть сфокусирован в пятно с диаметром, меньшим

(с - скорость света в вакууме, F_ТГц - наивысшая частота в спектре терагерцового импульса и n_ТГц - показатель преломления пластины в терагерцовом диапазоне частот), и длительность оптического импульса после прохождения пластины 1 не может превышать 1/F_ТГц (см. статью на англ. яз. авторов Mashkovich Е.А., Shugurov A.I., Ozawa S., Estacio E., Tani M. and Bakunov M.I. «Noncollinear Electro-Optic Sampling of Terahertz Waves in a Thick GaAs Crystal», указанную выше).In addition, to obtain the greatest electro-optical response, the optical beam should be focused into a spot with a diameter smaller

(c is the speed of light in vacuum, F _THz is the highest frequency in the spectrum of a terahertz pulse and n _THz is the refractive index of a plate in the terahertz frequency range), and the duration of an optical pulse after passing through plate 1 cannot exceed 1 / F _THz (see the article on English by authors Mashkovich EA, Shugurov AI, Ozawa S., Estacio E., Tani M. and Bakunov MI "Noncollinear Electro-Optic Sampling of Terahertz Waves in a Thick GaAs Crystal", above).

Подтверждением повышенной технологичности изготовления и настройки предлагаемого рабочего узла без кремниевой призмы для ввода терагерцового излучения под Черенковским углом в условиях Черенковского синхронизма являются примеры осуществления детектирования при различных Черенковских углах (в широкой группе электрооптических кристаллов типа цинковой обманки) в расширенном интервале длин волн оптического импульса, основанные на следующей теоретической оценке и экспериментальной проверке.Confirmation of the increased manufacturability of manufacturing and tuning the proposed work unit without a silicon prism for introducing terahertz radiation at the Cherenkov angle under Cherenkov synchronism conditions are examples of detection at various Cherenkov angles (in a wide group of electro-optical crystals such as zinc blende) in an extended wavelength range of the optical pulse based on the following theoretical assessment and experimental verification.

На фиг. 3 показана зависимость угла падения α, при котором выполнены условия Черенковского синхронизма, от длины волны оптического импульса λ для четырех кристаллов ZnTe (кривая I), GaP (кривая II), InP (кривая III) и GaAs (кривая IV), типа цинковой обманки, определяемая формулой 1 (см. формулу 2 в указанной выше статье):In FIG. Figure 3 shows the dependence of the angle of incidence α at which the Cherenkov synchronism conditions are satisfied on the wavelength of the optical pulse λ for four ZnTe crystals (curve I), GaP (curve II), InP (curve III), and GaAs (curve IV), such as zinc blende defined by formula 1 (see formula 2 in the above article):

где n(λ) - показатель преломления на длине волны λ и n_g(λ) - групповой оптический индекс преломления на длине волны λ.where n (λ) is the refractive index at the wavelength λ and n _g (λ) is the group optical index of refraction at the wavelength λ.

Из зависимости видно, что предлагаемый рабочий узел детектора импульсного терагерцового излучения в соответствии с неколлинеарным методом может использоваться в расширенном диапазоне длин волн оптических импульсов в отличие от коллинеарного метода.It can be seen from the dependence that the proposed operating unit of a pulsed terahertz radiation detector, in accordance with the noncollinear method, can be used in an extended wavelength range of optical pulses, in contrast to the collinear method.

Для подтверждения работоспособности предлагаемого рабочего узла детектора импульсного терагерцового излучения был проведена следующая экспериментальная проверка. Линейно поляризованный оптический импульс от волоконного Er³⁺ лазера с центральной длиной волны 1550 нм (данный источник отличается компактностью и относительной дешевизной) и длительностью 70 фс фокусировался на пластину 1, выполненную из кристалла GaAs толщиной 13 мм. Данная толщина пластины выбрана как соответствующая минимальной из длин: длины когерентности, длины затухания терагерцового излучения, длины расхождения оптического импульса и терагерцового излучения в пластине и дисперсионной длины. Угол падения оптического импульса на пластину α был равен 50° (см. фиг. 2а). В место падения оптического импульса нормально к пластине подводилось импульсное терагерцовое излучение. Векторы поляризации оптического импульса и терагерцового излучения параллельны кристаллографической оси

кристалла. Изменение направления вектора поляризации фиксировалось с помощью схемы детектора, состоящей из четвертьволновой пластины 2, призмы Волластона 3 и балансного фотоприемника 4 (см. фиг. 2б). Работоспособность предлагаемого узла детектирования подтверждает экспериментальный спектр терагерцового излучения, построенный на фиг. 4.To confirm the operability of the proposed working node of the pulsed terahertz radiation detector, the following experimental verification was carried out. A linearly polarized optical pulse from an Er ³⁺ fiber laser with a central wavelength of 1550 nm (this source is compact and relatively cheap) and focused for 70 fs on a plate 1 made of a 13 mm thick GaAs crystal. This plate thickness is chosen as corresponding to the minimum length: coherence length, terahertz radiation attenuation length, optical pulse and terahertz radiation divergence length in the plate, and dispersion length. The angle of incidence of the optical pulse on the plate α was equal to 50 ° (see Fig. 2A). In place of the incidence of the optical pulse, pulsed terahertz radiation was normally applied to the plate. The polarization vectors of the optical pulse and terahertz radiation are parallel to the crystallographic axis

a crystal. The change in the direction of the polarization vector was recorded using a detector circuit consisting of a quarter-wave plate 2, a Wollaston prism 3, and a balanced photodetector 4 (see Fig. 2b). The operability of the proposed detection unit is confirmed by the experimental spectrum of terahertz radiation, constructed in FIG. four.

Таким образом, предлагаемый рабочий узел характеризуется повышенной технологичностью его изготовления и настройки, а также эффективным функционированием в составе детектора импульсного терагерцового излучения в расширенном диапазоне длин волн лазерных источников оптических импульсов.Thus, the proposed work site is characterized by high manufacturability of its manufacture and tuning, as well as effective functioning as part of a pulsed terahertz radiation detector in an extended wavelength range of laser optical pulse sources.

Claims

1. The operating unit of a pulsed terahertz radiation detector, made on the basis of a plate made of an electro-optical crystal with its orientation with respect to the directions of propagation of terahertz radiation and an optical femtosecond pulse, which ensures the detection of terahertz radiation by changing the direction of the polarization vector of the optical femtosecond pulse under the action of the electric field of a terahertz pulse waves due to the Pockels effect under conditions of Cherenkovsky synchronization an ism that specifies the mutual correspondence of the velocity and spatial characteristics of terahertz radiation and the indicated optical pulse, characterized in that the plate is made of a crystal with isotropic refractive indices in the optical and terahertz frequency ranges, belonging to the group of crystals of the type of zinc blende, with the refractive angles of the optical and terahertz radiation sufficient to provide inside the Cherenkovsky plate angle between the directions of their propagation under direct irradiation the input surface of the plate with terahertz radiation, and it is made with the location of its transverse plane of the cut perpendicular to the crystallographic axis [110] of the specified crystal and has a crystallographic axis

which is parallel to the polarization vector of the optical pulse.

2. The working unit according to claim 1, characterized in that the plate is oriented with its input surface normally to the direction of propagation of terahertz radiation.

3. The work site according to claim 1, characterized in that the plate is made of gallium arsenide.

4. The work site according to claim 3, characterized in that when the plate is irradiated with an optical femtosecond pulse with a central wavelength of 1.55 μm and the angle of incidence of this optical pulse on the plate within the range of 42-50 °, the plate thickness is 13 mm.