RU2655469C1 - Способ генерации узкополосного терагерцового излучения (варианты) - Google Patents

Способ генерации узкополосного терагерцового излучения (варианты) Download PDF

Info

Publication number
RU2655469C1
RU2655469C1 RU2017109752A RU2017109752A RU2655469C1 RU 2655469 C1 RU2655469 C1 RU 2655469C1 RU 2017109752 A RU2017109752 A RU 2017109752A RU 2017109752 A RU2017109752 A RU 2017109752A RU 2655469 C1 RU2655469 C1 RU 2655469C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
single crystal
input surface
terahertz
laser pulses
terahertz radiation
Prior art date
Application number
RU2017109752A
Other languages
English (en)
Inventor
Михаил Иванович Бакунов
Евгений Александрович Машкович
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского" filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского"
Priority to RU2017109752A priority Critical patent/RU2655469C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2655469C1 publication Critical patent/RU2655469C1/ru

Links

Images

Classifications

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

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области оптики и касается способа генерации узкополосного терагерцового излучения. Генерация осуществляется путем воздействия линейно поляризованными фемтосекундными лазерными импульсами на входную поверхность анизотропного нелинейного монокристалла, приводящего к преобразованию излучения с терагерцовым выходом в направлении распространения лазерных импульсов при длине прохождения этих импульсов в монокристалле, равной длине поглощения в нем терагерцового излучения на рабочей частоте, и терагерцовым выходом в обратном направлении, при длине прохождения, превышающей длину поглощения терагерцового излучения на рабочей частоте. Для оптического выпрямления лазерных импульсов за счет нелинейного смешения спектральных компонент обыкновенной и необыкновенной волн, образованных после преломления лазерного луча на входной поверхности монокристалла, в условиях образования в нем наведенной нелинейной поляризации с переменной полярностью, монокристалл ориентируют кристаллографической осью [100] или [010], лежащей в плоскости его входной поверхности, с образованием угла с направлением вектора поляризации возбуждающего луча, обеспечивающего образование обыкновенной и необыкновенной волн. Технический результат заключается в сужении ширины линии генерируемого излучения. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

Description

Изобретение относится к технологии генерации узкополосного терагерцового электромагнитного излучения и может быть использовано для высокочувствительного оборудования спектроскопии, микроскопии и имиджинга.
Одна из самых распространенных технологий генерации узкополосного терагерцового излучения, имеющая наиболее близкое отношение к заявляемому способу генерации терагерцового излучения, основана на оптическом выпрямлении фемтосекундных лазерных импульсов в электрооптических кристаллах.
В данной технологии электрооптический кристалл облучают фемтосекундными лазерными импульсами, которые при распространении в указанном кристалле наводят в нем нелинейную поляризацию, которая вырабатывает терагерцовое излучение (см. работу на английском языке автора G.Kh. Kitaeva «Terahertz generation by means of optical lasers» - LASER PHYS. LETT. 2008, v. 5, p. 559).
Известные группы способов генерации узкополосного терагерцового излучения, основанные на оптическом выпрямлении фемтосекундных лазерных импульсов в электрооптических кристаллах: (i) генерация на основе наклонного фронта интенсивности, (ii) генерация на основе пространственного и временного шейпирования и (iii) генерация на основе периодически поляризованной структуры.
В указанных выше группах способов генерации узкополосного терагерцового излучения наиболее распространенным анизотропным нелинейным кристаллом является ниобат лития (LiNbO3), который входит в ферроэлектрическую группу. Указанный кристалл обладает высоким порогом оптического разрушения ~1 ТВт/см2 и большим нелинейным коэффициентом. Так, нелинейный коэффициент кристалла ниобата лития равен 168 пм/В, что в три раза превосходит нелинейный коэффициент кристалла теллурида цинка.
В первой группе способов (i) вырабатывается терагерцовое излучение в направлении распространения возбуждающих лазерных импульсов и фронт интенсивности фемтосекундного лазерного импульса наклонен по отношению к фазовому фронту импульса, что приводит к выполнению условий фазового синхронизма в кристалле ниобата лития, т.е. равенству фазовой скорости терагерцовой волны и проекции групповой скорости лазерного импульса на направление распространения терагерцовой волны (см. статью на англ. яз. авторов J. Hebling et al. «Tunable THz pulse generation by optical rectification of ultrashort laser pulses with tilted pulse fronts» - APPL. PHYS. B. 2004, v. 78, p. 593). В указанной статье монокристалл ниобата лития, выполненный в форме призмы, облучают фемтосекундными лазерными импульсами с центральной длиной волны 800 нм с наклонным фронтом интенсивности. Причем вектор поляризации возбуждающих импульсов параллелен кристаллографической оси [001] монокристалла ниобата лития. В результате, например, генерировалось терагерцовое излучение на рабочей частоте 1 ТГц с шириной спектральной линии больше 300 ГГц. При использовании полоскового волновода из кристалла ниобата лития ширина спектральной линии может быть сужена до 70 ГГц на рабочей частоте 0,2 ТГц (см. статью на англ. яз. авторов K.-Н. Lin et al. «Generation of multicycle terahertz phonon-polariton waves in a planar waveguide by tilted optical pulse fronts» - APPL. PHYS. LETT. 2009, v. 95, p. 1033040).
Недостатком данных способов генерации является большая ширина спектральной линии излучения, связанная со слабой терагерцовой дисперсией кристалла ниобата лития.
Во второй группе способов (ii) вырабатывается терагерцовое излучение в направлении распространения возбуждающих лазерных импульсов, и фемтосекундным лазерным импульсам придают специальную пространственную (см. статью на англ. яз. авторов Т. Feurer et al. «Typesetting of terahertz waveforms» - OPTICS LETT. 2004, v. 29, p. 1802) или временную форму (см. статью на англ. яз. авторов D.W. Ward et al. «Coherent control of phonon-polaritons in a terahertz resonator fabricated with femtosecond laser machining» - OPTICS LETT. 2004, v. 29, p. 2671). Так, в первой статье было сгенерировано терагерцовое излучение на рабочей частоте 1,1 ТГц с шириной спектральной линии 1000 ГГц. Во второй статье на рабочей частоте 0,32 ТГц с шириной спектральной линии 20 ГГц. При этом вектор поляризации лазерных импульсов параллелен кристаллографической оси [001] кристалла ниобата лития.
Недостатком этой группы способов генерации является значительное привлечение технических средств для осуществления генерации и относительно (предлагаемого в настоящем описании изобретения) широкая спектральная линия излучения.
В третьей группе способов (iii) допускается выработка терагерцового излучения как в направлении распространения возбуждающих лазерных импульсов, так и в направлении, обратном распространению указанных импульсов, и облучается периодическая структура из тонких монокристаллических пластин ниобата лития, у которых направление кристаллографической оси [001] периодически меняется. Так, в работе на англ. яз. авторов S. Carbajo et al. «Efficient narrowband terahertz generation in cryogenically cooled periodically poled lithium niobate» - OPTICS LETT. 2015, v. 40, p. 5765 в периодически поляризованной структуре из пластин монокристалла ниобата лития было сгенерировано терагерцовое излучение в направлении распространения возбуждающих лазерных импульсов на рабочей частоте 0,5 ТГц с шириной спектральной линии 20 ГГц. В работе на англ. яз. авторов G. Xu et al. «Efficient generation of backward terahertz pulses from multiperiod periodically poled lithium niobate» - OPTICS LETT. 2009, v. 34, p. 995 в периодически поляризованной структуре из пластин монокристалла ниобата лития было сгенерировано терагерцовое излучение в направлении, обратном распространению возбуждающих лазерных импульсов на рабочей частоте 0,37 ТГц с шириной спектральной линии 18,1 ГГц. Поляризация лазерных импульсов была параллельна кристаллографической оси [001] монокристаллических пластин ниобата лития.
Недостатком такой группы способов генерации является малая апертура периодически поляризованной многослойной кристаллической структуры, трудоемкий процесс изготовления, низкие прочностные показатели и широкая относительно предлагаемого изобретения спектральная линия излучения.
В связи с тем, что предлагаемый способ генерации узкополосного терагерцового излучения основан на оптическом выпрямлении за счет нелинейного смешения спектральных компонент обыкновенной и необыкновенной волн, образованных после преломления возбуждающего лазерного луча на входной поверхности пластины монокристалла ниобата лития в условиях образования в указанном монокристалле наведенной нелинейной поляризации с переменной полярностью, и отличен от способов генерации приведенных в трех группах способов генерации - аналогов (особенности физического механизма генерации узкополосного излучения на основе предлагаемого способа см. ниже) в настоящем описании изобретения выбрано раскрытие сущности предлагаемого способа генерации узкополосного терагерцового излучения в формуле изобретения без прототипа.
Технический результат от использования предлагаемого способа генерации узкополосного терогерцового излучения - обеспечение сужения ширины линии указанного излучения в результате оптического выпрямления в нелинейном анизотропном монокристалле лазерных импульсов обыкновенной и необыкновенной волн при одновременном увеличении технологичности осуществления предлагаемой генерации за счет использования возбуждающих фемтосекундных импульсов от одного лазерного источника в сочетании со структурно неусложненным нелинейным анизотропным монокристаллом.
Кроме того, предлагаемый способ расширяет перспективный технологический арсенал обеспечения актуального и востребованного узкополосного тергегецового излучения.
Для достижения указанного технического результата предлагается первый вариант способа генерации узкополосного терагерцового излучения путем воздействия линейно поляризованными фемтосекундными лазерными импульсами на входную поверхность пластины анизотропного нелинейного монокристалла, приводящего к оптико-терагерцовому преобразованию с терагерцовым выходом в направлении распространения упомянутых лазерных импульсов при длине прохождения этих импульсов в данном монокристалле, равной длине поглощения в нем терагерцового излучения на рабочей частоте, в котором для оптического выпрямления лазерных импульсов за счет нелинейного смешения спектральных компонент обыкновенной и необыкновенной волн, образованных после преломления возбуждающего лазерного луча на входной поверхности пластины указанного монокристалла, в условиях образования в нем наведенной нелинейной поляризации с переменной полярностью, указанный анизотропный нелинейный монокристалл ориентируют его кристаллографической осью [100] или [010], лежащей в плоскости входной поверхности пластины указанного монокристалла с образованием угла с направлением вектора поляризации возбуждающего лазерного луча, обеспечивающего образование обыкновенной и необыкновенной волн.
В частном случае для выработки терагерцового излучения с рабочей частотой 0,5 ТГц и шириной спектральной линии 11,6 ГГц линейно поляризованные возбуждающие фемтосекундные лазерные импульсы с центральной длиной волны 1050 нм и длительностью 350 фс направляют нормально к входной поверхности пластины анизотропного нелинейного монокристалла, изготовленного из ниобата лития и имеющего линейный размер, задающий длину прохождения в нем указанных лазерных импульсов, равный 5 мм, с кристаллографической осью [100] монокристалла ниобата лития, лежащей в плоскости входной поверхности указанной пластины и образующей угол 45° с направлением вектора поляризации возбуждающего лазерного луча, и с кристаллографической осью [001] этого монокристалла, направленной под углом 72,5° к входной поверхности этой же пластины.
Для достижения этого же технического результата предлагается второй вариант способа генерации узкополосного терагерцового излучения путем воздействия линейно поляризованными фемтосекундными лазерными импульсами на входную поверхность пластины анизотропного нелинейного монокристалла, приводящего к оптико-терагерцовому преобразованию с терагерцовым выходом в направлении, обратном распространению упомянутых лазерных импульсов, при длине прохождения этих импульсов в данном монокристалле, превышающей длину поглощения в нем терагерцового излучения на рабочей частоте, в котором для оптического выпрямления за счет нелинейного смешения спектральных компонент обыкновенной и необыкновенной волн, образованных после преломления возбуждающего лазерного луча на входной поверхности пластины указанного монокристалла, в условиях образования в нем наведенной нелинейной поляризации с переменной полярностью, указанный анизотропный нелинейный монокристалл ориентируют его кристаллографической осью [100] или [010], лежащей в плоскости входной поверхности пластины указанного монокристалла с образованием угла с направлением вектора поляризации возбуждающего лазерного луча, обеспечивающего образование обыкновенной и необыкновенной волн.
В частном случае для выработки терагерцового излучения с рабочей частотой 0,5 ТГц и шириной спектральной линии 3,6 ГГц линейно поляризованные возбуждающие фемтосекундные лазерные импульсы с центральной длиной волны 1050 нм и длительностью 350 фс направляют нормально к входной поверхности пластины анизотропного нелинейного монокристалла, изготовленного из ниобата лития и имеющего линейный размер, задающий длину прохождения в нем указанных лазерных импульсов, равный 7 мм, с кристаллографической осью [100] монокристалла ниобата лития, лежащей в плоскости входной поверхности указанной пластины, и образующей угол 45° с направлением вектора поляризации возбуждающего лазерного луча, и с кристаллографической осью [001] этого монокристалла, направленной под углом 65° к входной поверхности этой же пластины.
Известный способ генерации узкополосного терагерцового излучения на основе генерации разностной частоты при облучении анизотропного нелинейного монокристалла двумя лазерными импульсами наносекундной длительности с близкими частотами (см. работу на англ. яз. авторов Т. Akiba et al. «Terahertz wave generation using type II phase matching polarization combination via difference frequency generation with LiNbO3» - JAP. J. APPL. PHYS. 2015, v. 54, p. 062202) с помощью двух наносекундных импульсных лазеров и оптико-терагерцового преобразователя, выполненного на основе монокристалла ниобата лития (при этом ввиду относительно большой длительности лазерного импульса нельзя достичь большой оптической интенсивности, что влияет на эффективность оптико-терагерцового преобразования, которая составляет величину ~10-9), не противоречит изобретательскому уровню предлагаемого способа генерации узкополосного терагерцового излучения, т.к. в этом известном способе генерации узкополосного терагерцового излучения используют иные источники лазерного излучения в сочетании с монокристаллом ниобата лития в режиме генерации разностной частоты, ином в сравнении с режимом генерации узкополосного терагерцового излучения в предлагаемом способе, основанным на оптическом выпрямлении за счет нелинейного смешения спектральных компонент обыкновенной и необыкновенной волн, образованных после преломления возбуждающего фемтосекундного лазерного луча на входной поверхности пластины монокристалла ниобата лития в условиях образования в этой пластине наведенной нелинейной поляризации с переменной полярностью.
На фиг. 1 показаны схема осуществления предлагаемого способа генерации узкополосного терагерцового излучения (фиг 1а) и схематически оптико-терагерцовый преобразователь (фиг. 1б) для осуществления предлагаемого способа генерации на фиг. 1а; на фиг. 2 - схема облучения фемтосекундным лазерным импульсом пластины, изготовленной из монокристалла ниобата лития и представляющей собой оптико-терагерцовый преобразователь на фиг. 1б, в соответствии с предлагаемым способом генерации; на фиг. 3 - зависимость рабочей частоты терагерцового излучения в направлении распространения возбуждающих лазерных импульсов, в соответствии с первым вариантом предлагаемого способа генерации (фиг. 3а) и в направлении, обратном распространению возбуждающих лазерных импульсов, в соответствии со вторым вариантом предлагаемого способа генерации (фиг. 3б) от угла, который образует кристаллографическая ось [001] монокристалла ниобата лития, из которого выполнена пластина оптико-терагерцового преобразователя, с ее входной поверхностью; на фиг. 4 - нормированная спектральная плотность мощности терагерцового излучения в направлении распространения возбуждающих лазерных импульсов, в соответствии с первым вариантом предлагаемого способа генерации (фиг. 4а), и в направлении, обратном распространению возбуждающих лазерных импульсов, в соответствии со вторым вариантом предлагаемого способа генерации (фиг. 4б); на фиг. 5 - зависимость длины поглощения терагерцового излучения от рабочей частоты, одинаковая для обоих вариантов предлагаемого способа генерации.
Осуществление предлагаемого способа генерации узкополосного терагерцового излучения изложено на следующем примере.
Линейно поляризованными фемтосекундными лазерными импульсами от фемтосекундного лазера воздействуют на входную поверхность ABCD оптически полированной с двух сторон пластины 1 монокристалла ниобата лития (см. фиг. 1а и 1б), причем монокристалл ниобата лития своей лежащей в плоскости входной поверхности ABCD пластины 1 кристаллографической осью [100] (или [010] - на фигурах не показано) сориентирован с образованием этой осью с вектором поляризации возбуждающего лазерного луча угла α (см. фиг. 2), обеспечивающего образование обыкновенной и необыкновенной волн после преломления возбуждающего лазерного луча на входной поверхности ABCD пластины 1.
После вхождения в монокристалл ниобата лития лазерный импульс разделяется на суперпозицию импульсов обыкновенной и необыкновенной волн (см. фиг. 1а и 2). В результате нелинейного смешения спектральных компонент волн в монокристалле наводится нелинейная поляризация, которая одновременно излучает терагерцовое излучение в направлении распространения лазерных импульсов и в направлении, обратном указанному распространению, с преобладанием интенсивности одного из этих излучений в зависимости от линейного размера, задающего длину прохождения в монокристалле ниобата лития указанных лазерных импульсов: при длине прохождения этих импульсов в монокристалле ниобата лития, равной длине поглощения в нем терагерцового излучения (первый вариант предлагаемого способа), указанное преобладание - в направлении распространения возбуждающих лазерных импульсов, а при длине прохождения этих импульсов в монокристалле ниобата лития, превышающей длину поглощения в нем терагерцового излучения (второй вариант предлагаемого способа), указанное преобладание - в направлении, обратном распространению возбуждающих лазерных импульсов.
При этом
в примере первого варианта (терагерцовое излучение в направлении распространения возбуждающих лазерных импульсов) для выработки, терагерцового излучения с рабочей частотой 0,5 ТГц и шириной спектральной линии 11,6 ГГц линейно поляризованные возбуждающие фемтосекундные лазерные импульсы с центральной длиной волны 1050 нм и длительностью 350 фс направляют нормально к входной поверхности пластины анизотропного нелинейного монокристалла, изготовленного из ниобата лития и имеющего линейный размер, задающий длину прохождения в нем указанных лазерных импульсов, равный 5 мм, с кристаллографической осью [100] монокристалла ниобата лития, лежащей в плоскости входной поверхности указанной пластины и образующей угол α=45° с направлением вектора поляризации возбуждающего лазерного луча, и с кристаллографической осью [001] этого монокристалла, направленной под углом θ=72,5° к входной поверхности этой же пластины;
в примере второго варианта (терагерцовое излучение в направлении, обратном распространению возбуждающих лазерных импульсов) для выработки терагерцового излучения с рабочей частотой 0,5 ТГц и шириной спектральной линии 3,6 ГГц линейно поляризованные возбуждающие фемтосекундные лазерные импульсы с центральной длиной волны 1050 нм и длительностью 350 фс направляют нормально к входной поверхности пластины анизотропного нелинейного монокристалла, изготовленного из ниобата лития и имеющего линейный размер, задающий длину прохождения в нем указанных лазерных импульсов, равный 7 мм, с кристаллографической осью [100] монокристалла ниобата лития, лежащей в плоскости входной поверхности указанной пластины и образующей угол α=45° с направлением вектора поляризации возбуждающего лазерного луча, и с кристаллографической осью [001] этого монокристалла, направленной под углом θ=65° к входной поверхности этой же пластины.
При этом существенными условиями обеспечения сужения ширины линии указанного излучения в результате оптического выпрямления в нелинейном анизотропном монокристалле лазерных импульсов обыкновенной и необыкновенной волн при одновременном увеличении технологичности осуществления предлагаемой генерации за счет использования возбуждающих фемтосекундных импульсов от одного лазерного источника в сочетании со структурно неусложенным нелинейным анизотропным монокристаллом являются длина прохождения лазерных импульсов в данном монокристалле, равная длине поглощения в нем терагерцового излучения (для первого варианта предлагаемого способа) или превышающая ее (для второго варианта предлагаемого способа) на рабочей частоте, и ориентация лежащей в плоскости входной поверхности пластины 1 кристаллографической оси [100] или [010] (в примерах отсутствует) указанного монокристалла, образующей с направлением вектора поляризации возбуждающего лазерного луча угол α, обеспечивающий образование обыкновенной и необыкновенной волн после преломления возбуждающего лазерного луча на входной поверхности ABCD пластины 1 указанного монокристалла и оптическое выпрямление за счет нелинейного смешения спектральных компонент обыкновенной и необыкновенной волн, в условиях образования в нем наведенной нелинейной поляризации с переменной полярностью.
Указанные в примерах осуществления двух вариантов предлагаемого способа подобранные конкретные параметры, включая угол α и угол θ, носят частный характер. Причем, как показало нижеследующее расчетное обоснование, энергетическая характеристика выходного терагерцового излучения зависит от угла α в интервале его величин от 1° до 89° и максимальна при α=45°.
Раскрытию физического механизма, обеспечивающего сужение ширины спектральной линии терагерцового излучения в результате оптического выпрямления в нелинейном анизотропном монокристалле лазерных импульсов обыкновенной и необыкновенной волн в соответствии с двумя вариантами предлагаемого способа в широком диапазоне углов α и θ служит следующее физико-расчетное обоснование.
В качестве фемтосекундного лазера (на фиг. 2 не показан) рассмотрим эрбиевый лазер с центральной длиной волны 1,05 мкм, импульсы которого поступают на входную поверхность пластины 1 из монокристалла ниобата лития. Импульсы распространяются вдоль оси х, вектор поляризации которых, в частности образует угол α=45° с кристаллографической осью [100] монокристалла ниобата лития.
Рассмотрим одномерную модель с гауссовой огибающей напряженности электрического поля - электрическое поле лазерного импульса считается симметричным по отношению к осям у, z и на входе в пластину напряженность электрического поля имеет вид следующей формулы
Figure 00000001
где Е0 - амплитуда напряженности возбуждающего электрического поля лазерного импульса,
λ - центральная длина волны возбуждающего лазерного импульса,
с - скорость света в вакууме,
τ - длительность возбуждающего лазерного импульса.
При преломлении на входной поверхности пластины 1 возбуждающий лазерный импульс разделяется на суперпозицию импульсов обыкновенной и необыкновенной волн.
В результате нелинейного смешивания спектральных компонент данных волн возникает нелинейная поляризация, которая может быть записана в виде следующей формулы
Figure 00000002
где
Figure 00000003
no,
Figure 00000004
и ne,
Figure 00000005
- индексы преломления и групповые индексы обыкновенной и необыкновенной волн при заданном угле θ, ε0 - диэлектрическая проницаемость вакуума, χ eff =χ 15cosϑ+χ 22sinϑ - эффективный нелинейный коэффициент, χ15 и χ22 - нелинейные коэффициенты кристалла ниобата лития.
Из формулы (2) следует, что наведенная в монокристалле ниобата лития нелинейная поляризация знакопеременна с периодом λ/Δn.
Для нахождения спектральной плотности мощности терагерцового излучения решим волновое уравнение в Фурье пространстве с источником в виде нелинейной поляризации (см. формулу 2) в трех однородных областях: полупространство x<0, монокристалл ниобата лития и полупространство x>d, где d - толщина указанного монокристалла, равная длине прохождения возбуждающих ультракоротких лазерных импульсов в данном монокристалле. После чего возьмем обратное преобразование Фурье.
Из указанного решения волнового уравнения следует существование двух терагерцовых волн: одна распространяется в направлении лазерных импульсов, другая в обратном направлении. Частоты волн (Ωf/2π - рабочая частота терагерцового излучения в направлении распространения возбуждающих лазерных импульсов и Ωb/2π - рабочая частота терагерцового излучения в направлении, обратном распространению возбуждающих лазерных импульсов) заданы формулами
Figure 00000006
где nt(Ωf) и nt(Ωb) - индексы преломления на соответствующих рабочих терагерцовых частотах Ωf/2π и Ωb/2π.
Таким образом, рабочие частоты терагерцового излучения задаются изменением угла θ ввиду зависимости от него необыкновенного группового индекса и индекса преломления лазерного излучения, входящих в n' и Δn.
На фиг. 3 построены зависимости рабочих частот Ωf/2π (фиг. 3а) и Ωb/2π (фиг. 3б) терагерцового излучения в соответствии с предлагаемым способом генерации от угла θ. Например, генерации на рабочей частоте Ωf/2π=0,5 ТГц (в первом варианте предлагаемого способа) соответствует угол θ=72,5° и генерации на рабочей частоте Ωb/2π=0,5 ТГц (во втором варианте предлагаемого способа) соответствует угол θ=65°.
Формулы для спектральной плотности мощности Sf(Ω) при генерации узкополосного терагерцового в направлении распространения возбуждающих лазерных импульсов (первый вариант предлагаемого способа) и Sb(Ω) в направлении, обратном распространению возбуждающих лазерных импульсов (второй вариант предлагаемого способа) в зависимости от терагерцовой частоты Ω имеют вид:
Figure 00000007
Figure 00000008
где
Figure 00000009
где Ф - функция ошибок.
На фиг. 4а представлена нормированная спектральная плотность мощности терагерцового излучения Sf(Ω), рассчитанная согласно формуле 4 для генерации узкополосного терагерцового в направлении распространения возбуждающих лазерных импульсов (первый вариант предлагаемого способа) при интенсивности накачки 100 ГВт/см2, толщине монокристалла ниобата лития d=5 мм, угле θ=72,5° и длительности τ=350 фс. Для указанных параметров оптико-терагерцовый преобразователь, используемый в предлагаемом способе генерации, будет излучать терагерцовое излучение на рабочей частоте Ωf/2π=0,5 ТГц с шириной спектральной линии на уровне половины высоты равной 11,6 ГГц.
На фиг. 4б представлена нормированная спектральная плотность мощности терагерцового излучения Sb(Ω), рассчитанная согласно формуле 4 для генерации узкополосного терагерцового в направлении обратном, распространению возбуждающих лазерных импульсов (второй вариант предлагаемого способа) при интенсивности накачки 100 ГВт/см2, толщине монокристалла ниобата лития d=7 мм, угле θ=65° и длительности τ=350 фс. Для указанных параметров оптико-терагерцовый преобразователь, используемый в предлагаемом способе, будет излучать терагерцовое излучение на рабочей частоте Ωb/2π=0,5 ТГц с шириной спектральной линии на уровне половины высоты равной 3,6 ГГц.
Для подтверждения сужения спектральной линии терагерцового излучения в соответствии с предлагаемым способом генерации сравним полученные характеристики терагерцового излучения с терагерцовым излучением с помощью оптико-терагерцового преобразователя, выполненного в виде периодически поляризованной многослойной кристаллической структуры, состоящей из монокристаллических пластин ниобата лития (см. статью на англ. яз. авторов S. Carbajo et al. «Efficient narrowband terahertz generation in cryogenically cooled periodically poled lithium niobate» - OPTICS LETT. 2015, v. 40, p. 5765 - для первого варианта предлагаемого способа и см. статью на англ. яз. авторов G. Xu et al. «Efficient generation of backward terahertz pulses from multiperiod periodically poled lithium niobate» - OPTICS LETT. 2009, v. 34, p. 995 - для второго варианта предлагаемого способа). В первой статье ширина спектральной линии 19,8 ГГц на рабочей частоте 0,513 ТГц, что практически в два раз шире, чем ширина спектральной линии 11,6 ГГц терагерцового излучения вырабатываемого на той же рабочей частоте в соответствии с первым вариантом предлагаемого способа. Во второй статье ширина спектральной линии 18,1 ГГц на рабочей частоте 0,37 ТГц, что в шесть раз шире, чем ширина спектральной линии 3 ГГц терагерцового излучения вырабатываемого на той же рабочей частоте в соответствии со вторым вариантом предлагаемого способа.
Зависимость длины поглощения терагерцового излучения La от рабочих терагерцовых частот Ωf/2π и Ωb/2π построена на фиг. 5 для уточнения оптимальной толщины d монокристалла ниобата лития, составляющей величину длины прохождения в нем возбуждающих лазерных импульсов.
Зависимость энергетических характеристик выходного излучения от угла α, задающая оптимальное осуществление предлагаемого способа генерации узкополосного терагерцового излучения при α=45°, имеет вид sin2(2α).
Изложенное обоснование в развернутом виде будет опубликовано в статье на англ яз. авторов Е.A. Mashkovich, S.A. Sychugin and М.I. Bakunov «Generation of narrowband terahertz radiation by an ultrashort laser pulse in a bulk LiNbO3 crystal» в журнале Optics Letters, в который указанная статья поступила в начале марта 2017 г.
Кроме того, указанное обоснование верно для случая, когда кристаллографическая ось [010] монокристалла ниобата лития лежит в плоскости входной поверхности пластины 1 и образует угол α=45° с направлением вектора поляризации возбуждающего лазерного луча, обеспечивающий образование обыкновенной и необыкновенной волн (см. тезисы на англ. яз. авторов Е.A. Mashkovich and М.I. Bakunov «Narrow-band terahertz generation by femtosecond optical pulses in a LiNbO3 crystal» - ICONO-2016, Minsk, Belarus. 26-30 September 2016. P. ITuG6).
Изложенное обоснование, проведенное на примере монокристалла ниабата лития верно, также и для широкой группы нелинейных анизотропных монокристаллов, таких как ниобат талия, DAST и др.
В настоящее время проводится подготовка к экспериментальной проверке генерации узкополосного терагерцового излучения в соответствии с предлагаемым способом.
Таким образом, изложенное выше обоснование расчетно подтверждает обеспечение сужения ширины линии указанного излучения в результате оптического выпрямления в нелинейном анизотропном монокристалле лазерных импульсов обыкновенной и необыкновенной волн.
При этом одновременно увеличена технологичность осуществления предлагаемой генерации за счет использования возбуждающих фемтосекундных импульсов от одного лазерного источника в сочетании со структурно неусложненным нелинейным анизотропным монокристаллом.

Claims (4)

1. Способ генерации узкополосного терагерцового излучения путем воздействия линейно поляризованными фемтосекундными лазерными импульсами на входную поверхность пластины анизотропного нелинейного монокристалла, приводящего к оптико-терагерцовому преобразованию с терагерцовым выходом в направлении распространения упомянутых лазерных импульсов при длине прохождения этих импульсов в данном монокристалле, равной длине поглощения в нем терагерцового излучения на рабочей частоте, характеризующийся тем, что для оптического выпрямления лазерных импульсов за счет нелинейного смешения спектральных компонент обыкновенной и необыкновенной волн, образованных после преломления возбуждающего лазерного луча на входной поверхности пластины указанного монокристалла, в условиях образования в нем наведенной нелинейной поляризации с переменной полярностью, указанный анизотропный нелинейный монокристалл ориентируют его кристаллографической осью [100] или [010], лежащей в плоскости входной поверхности пластины указанного монокристалла с образованием угла с направлением вектора поляризации возбуждающего лазерного луча, обеспечивающего образование обыкновенной и необыкновенной волн.
2. Способ генерации узкополосного терагерцового излучения по п. 1, отличающийся тем, что для выработки терагерцового излучения с рабочей частотой 0,5 ТГц и шириной спектральной линии 11,6 ГГц линейно поляризованные возбуждающие фемтосекундные лазерные импульсы с центральной длиной волны 1050 нм и длительностью 350 фс направляют нормально к входной поверхности пластины анизотропного нелинейного монокристалла, изготовленного из ниобата лития и имеющего линейный размер, задающий длину прохождения в нем указанных лазерных импульсов, равный 5 мм, с кристаллографической осью [100] монокристалла ниобата лития, лежащей в плоскости входной поверхности указанной пластины и образующей угол 45° с направлением вектора поляризации возбуждающего лазерного луча, и с кристаллографической осью [001] этого монокристалла, направленной под углом 72,5° к входной поверхности этой же пластины.
3. Способ генерации узкополосного терагерцового излучения путем воздействия линейно поляризованными фемтосекундными лазерными импульсами на входную поверхность пластины анизотропного нелинейного монокристалла, приводящего к оптико-терагерцовому преобразованию с терагерцовым выходом в направлении, обратном распространению упомянутых лазерных импульсов, при длине прохождения этих импульсов в данном монокристалле, превышающей длину поглощения в нем терагерцового излучения на рабочей частоте, характеризующийся тем, что для оптического выпрямления за счет нелинейного смешения спектральных компонент обыкновенной и необыкновенной волн, образованных после преломления возбуждающего лазерного луча на входной поверхности пластины указанного монокристалла, в условиях образования в нем наведенной нелинейной поляризации с переменной полярностью, указанный анизотропный нелинейный монокристалл ориентируют его кристаллографической осью [100] или [010], лежащей в плоскости входной поверхности пластины указанного монокристалла с образованием угла с направлением вектора поляризации возбуждающего лазерного луча, обеспечивающего образование обыкновенной и необыкновенной волн.
4. Способ генерации узкополосного терагерцового излучения по п. 3, отличающийся тем, что для выработки терагерцового излучения с рабочей частотой 0,5 ТГц и шириной спектральной линии 3,6 ГГц линейно поляризованные возбуждающие фемтосекундные лазерные импульсы с центральной длиной волны 1050 нм и длительностью 350 фс направляют нормально к входной поверхности пластины анизотропного нелинейного монокристалла, изготовленного из ниобата лития и имеющего линейный размер, задающий длину прохождения в нем указанных лазерных импульсов, равный 7 мм, с кристаллографической осью [100] монокристалла ниобата лития, лежащей в плоскости входной поверхности указанной пластины и образующей угол 45° с направлением вектора поляризации возбуждающего лазерного луча, и с кристаллографической осью [001] этого монокристалла, направленной под углом 65° к входной поверхности этой же пластины.
RU2017109752A 2017-03-24 2017-03-24 Способ генерации узкополосного терагерцового излучения (варианты) RU2655469C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017109752A RU2655469C1 (ru) 2017-03-24 2017-03-24 Способ генерации узкополосного терагерцового излучения (варианты)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017109752A RU2655469C1 (ru) 2017-03-24 2017-03-24 Способ генерации узкополосного терагерцового излучения (варианты)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2655469C1 true RU2655469C1 (ru) 2018-05-28

Family

ID=62560034

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017109752A RU2655469C1 (ru) 2017-03-24 2017-03-24 Способ генерации узкополосного терагерцового излучения (варианты)

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2655469C1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU186068U1 (ru) * 2018-10-05 2018-12-28 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела Российской академии наук (ИФТТ РАН) Сапфировая ячейка для внутриволноводной терагерцовой спектроскопии

Citations (3)

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

Patent Citations (3)

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

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Takuya Akiba и др. "Terahertz wave generation using type II phase matching polarization combination via difference frequency generation with LiNbO3", JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, т. 54, 2015 г., стр. 062202-1 - 062202-4. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU186068U1 (ru) * 2018-10-05 2018-12-28 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела Российской академии наук (ИФТТ РАН) Сапфировая ячейка для внутриволноводной терагерцовой спектроскопии

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Hebling et al. High-power THz generation, THz nonlinear optics, and THz nonlinear spectroscopy
Kawase et al. Coherent tunable THz‐wave generation from LiNbO3 with monolithic grating coupler
Edwards et al. Compact source of continuously and widely-tunable terahertz radiation.
Jullien et al. Highly efficient temporal cleaner for femtosecond pulses based on cross-polarized wave generation in a dual crystal scheme
L’huillier et al. Generation of THz radiation using bulk, periodically and aperiodically poled lithium niobate–Part 2: Experiments
JP2011059670A (ja) 電磁波発振素子
Huang et al. Intensive terahertz emission from GaSe0. 91S0. 09 under collinear difference frequency generation
Gorelik et al. Raman scattering by longitudinal and transverse optical vibrations in lithium niobate single crystals
Antipov et al. 10-W mid-IR optical parametric oscillators based on ZnGeP2 elements pumped by a fibre-laser-pumped Ho: YAG Laser. Experimental and numerical study
Wang et al. Energy scaling and extended tunability of a ring cavity terahertz parametric oscillator based on KTiOPO4 crystal
RU2655469C1 (ru) Способ генерации узкополосного терагерцового излучения (варианты)
Kinyaevskiy et al. Frequency down-conversion of a chirped Ti: sapphire laser pulse with BaWO4 Raman shifter and second-order nonlinear crystal
Gribenyukov et al. Energy and spectral characteristics of a parametric generator based on a nonlinear ZnGeP2 crystal pumped by a Ho: YAG laser
Lu et al. Efficient and widely step-tunable terahertz generation with a dual-wavelength CO 2 laser
Yao et al. THz source based on optical Cherenkov radiation
RU175818U1 (ru) Источник узкополосного терагерцового излучения, вырабатываемого в монокристалле ниобата лития в направлении, обратном распространению возбуждающих ультракоротких лазерных импульсов
Ebrahimzadeh Parametric light generation
RU175819U1 (ru) Источник узкополосного терагерцового излучения, вырабатываемого в монокристалле ниобата лития в направлении распространения возбуждающих ультракоротких лазерных импульсов
Kitaeva et al. Generation and detection of terahertz radiation by means of periodically and aperiodically poled crystals
Du et al. Absorption measurement of a 50-mm-long periodically poled lithium niobate optical parametric oscillator pumped at 1064 nm by a Nd: YAG laser
Aleshkin et al. Tunable source of terahertz radiation based on the difference-frequency generation in a GaP crystal
Donin et al. Optical parametric oscillator of mid-IR, visible and UV ranges with synchronous pumping by a-switched mode-locked Nd: YAG laser
Hornung et al. Terahertz nonlinear response in lithium niobate
Tang et al. Terahertz parametric source generating pulse energy of 6.5 μJ at 1.74 THz
Hakhoumian et al. Dynamics of difference frequency radiation generation in the field of few-cycle laser pulse propagating in GaAs crystal with domain structure

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20210325