RU2724974C1 - Opto-terahertz converter - Google Patents

Opto-terahertz converter Download PDF

Info

Publication number
RU2724974C1
RU2724974C1 RU2019145458A RU2019145458A RU2724974C1 RU 2724974 C1 RU2724974 C1 RU 2724974C1 RU 2019145458 A RU2019145458 A RU 2019145458A RU 2019145458 A RU2019145458 A RU 2019145458A RU 2724974 C1 RU2724974 C1 RU 2724974C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
optical
terahertz
face
prism
crystal
Prior art date
Application number
RU2019145458A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Михаил Иванович Бакунов
Сергей Александрович Сычугин
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 RU2019145458A priority Critical patent/RU2724974C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2724974C1 publication Critical patent/RU2724974C1/en

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
    • G02F1/3501—Constructional details or arrangements of non-linear optical devices, e.g. shape of non-linear 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)
  • Lasers (AREA)

Abstract

FIELD: optical instrument making.SUBSTANCE: opto-terahertz converter relates to optical instrumentation, which is intended for converting the energy of optical beams of femtosecond laser pulses into energy of working broadband terahertz radiation. Transducer comprises an electrooptical crystal capable of converting femtosecond laser pulses into terahertz radiation using a Cherenkov mechanism, and two optical triangular prisms which are transparent in the terahertz range and placed on opposite faces of the electrooptic crystal. Section of each pair of optical prisms is rectangular triangle, one of the legs of which contacting the face of electrooptical crystal is located at acute angle to hypothenuse of triangle, which is external face of optical prism. Optical prisms are made so that on the side of the input end face of the electrooptic crystal there is an acute angle of the triangle, and on the side of the output end face of the optical crystal – opposite to this acute angle of the other leg of the right triangle, which is the output face of the prism, and the acute angle is of such a value that provides complete internal reflection of transmitted to the prism terahertz waves from the outer edge of each optical prism in the direction of propagation of femtosecond laser pulses.EFFECT: technical result is increased working output of terahertz radiation, generation of more uniform spectrum, increased aperture of terahertz beam.3 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области оптического приборостроения, преимущественно к оптико-терагерцовому преобразователю, осуществляющему преобразование энергии оптических пучков фемтосекундных лазерных импульсов в энергию рабочего широкополосного терагерцового излучения.The invention relates to the field of optical instrumentation, mainly to an optical terahertz converter that converts the energy of optical beams of femtosecond laser pulses into the energy of a working broadband terahertz radiation.

Разработка и создание интенсивных и, в тоже время, компактных источников когерентного терагерцового излучения - одна из актуальных и широко обсуждаемых задач современной прикладной терагерцовой фотоники. В настоящее время наиболее эффективным методом «настольной» терагерцовой генерации является оптическое выпрямление фемтосекундных лазерных импульсов в кристаллах с квадратичной нелинейностью. Эффективность оптико-терагерцового преобразования при использовании данного метода в значительной степени определяется параметрами электрооптического (нелинейного) кристалла, такими как нелинейный коэффициент, показатель преломления в оптическом и терагерцовом диапазоне частот, коэффициент поглощения терагерцовых волн. Наиболее распространенным и широко используемым для терагерцовой генерации электрооптическим кристаллом является ниобат лития (LiNbO3) благодаря высокому значению нелинейного коэффициента. Однако, из-за существенной разницы оптического группового показателя преломления и терагерцового фазового показателя преломления этого кристалла невозможно выполнение условия синхронизма между групповой скоростью оптического лазерного импульса и фазовой скоростью терагерцовых волн в направлении распространения лазерных импульсов накачки. Несмотря на это в статье D.H. Auston «Subpicosecond electro-optic shock waves.» APPLIED PHISICS LETTERS, 1983, Vol.43, p.713 было показано, что сфокусированный фемтосекундный лазерный импульс может генерировать в кристалле ниобата лития расходящийся конус терагерцовых волн с помощью черенковского механизма.The development and creation of intense and, at the same time, compact sources of coherent terahertz radiation is one of the urgent and widely discussed problems of modern applied terahertz photonics. At present, the most effective method of “desktop” terahertz generation is the optical rectification of femtosecond laser pulses in crystals with quadratic nonlinearity. The efficiency of the optical-terahertz conversion using this method is largely determined by the parameters of the electro-optical (non-linear) crystal, such as a non-linear coefficient, refractive index in the optical and terahertz frequency ranges, and absorption coefficient of terahertz waves. The most common and widely used for terahertz generation electro-optical crystal is lithium niobate (LiNbO 3 ) due to the high value of the nonlinear coefficient. However, due to the significant difference between the optical group refractive index and the terahertz phase refractive index of this crystal, it is impossible to fulfill the condition of synchronism between the group velocity of the optical laser pulse and the phase velocity of terahertz waves in the direction of propagation of the laser pump pulses. Despite this, DH Auston's article “Subpicosecond electro-optic shock waves.” APPLIED PHISICS LETTERS, 1983, Vol. 43, p.713, it was shown that a focused femtosecond laser pulse can generate a diverging cone of terahertz waves in a lithium niobate crystal using the Cherenkov mechanism.

В последнее десятилетие значительное развитие получили схемы черенковской терагерцовой генерации.In the last decade, Cherenkov terahertz generation schemes have received significant development.

Известен аналог заявляемого оптико-терагерцового преобразователя (см. статью M.I. Bakunov, Е.А. Mashkovich, M.V. Tsarev, S.D. Gorelov «Efficient Cherenkov-type terahertz generation in Si-prism-LiNbO3-slab structure pumped by nanojoule-level ultrashort laser pulses.» APPLIED PHYSICS LETTERS, 2012, Vol. 101, p. 151102), содержащий преобразующую пластину, выполненную из электрооптического кристалла, и одну размещенную на ее боковой грани призму из материала, прозрачного в терагерцовом диапазоне частот.A known analogue of the claimed optical terahertz converter (see article MI Bakunov, EA Mashkovich, MV Tsarev, SD Gorelov "Efficient Cherenkov-type terahertz generation in Si-prism-LiNbO3-slab structure pumped by nanojoule-level ultrashort laser pulses. "APPLIED PHYSICS LETTERS, 2012, Vol. 101, p. 151102), comprising a conversion plate made of an electro-optical crystal and one prism placed on its side face from a material transparent in the terahertz frequency range.

В указанной статье линейно поляризованные фемтосекундные лазерные импульсы фокусируются на торцевую грань преобразующей пластины, выполненной из кристалла ниобата лития (LiNbO3) толщины 35 мкм. В ходе волноводного распространения в кристалле лазерный импульс вследствие оптического выпрямления индуцирует нелинейную поляризацию, которая распространяется с групповой скоростью оптического импульса и генерирует черенковский конус терагерцовых волн. Вывод генерируемого терагерцового излучения осуществляется с помощью высокоомной кремниевой призмы, контактирующей одной из своих граней с боковой поверхностью кристалла и прозрачной в терагерцовом диапазоне частот.In this article, linearly polarized femtosecond laser pulses are focused on the end face of the conversion plate made of lithium niobate (LiNbO 3 ) crystal with a thickness of 35 μm. During waveguide propagation in a crystal, a laser pulse, due to optical rectification, induces nonlinear polarization, which propagates with the group velocity of the optical pulse and generates a Cherenkov cone of terahertz waves. The generated terahertz radiation is outputted using a high-resistance silicon prism that contacts one of its faces with the side surface of the crystal and is transparent in the terahertz frequency range.

Недостатком аналога является наличие провалов в спектре излучения связанных с деструктивной интерференцией волн, выходящих из пластины LiNbO3 напрямую в кремниевую призму и после отражения на нижней границе пластины LiNbO3. Провал в спектре наблюдается на частоте ≈1,3 ТГц.A disadvantage of the analogue is the presence of dips in the radiation spectrum of waves associated with destructive interference, coming from the LiNbO3 wafer directly to the silicon prism and after reflection at the lower boundary of the LiNbO3 wafer. A dip in the spectrum is observed at a frequency of ≈1.3 THz.

Известен аналог заявляемого изобретения (RU 2574518), который содержит преобразующую пластину, выполненную из анизотропного кристалла с квадратичной нелинейностью, и одной, размещенной на ее боковой грани, призмы из материала, прозрачного в терагерцовом диапазоне частот.A known analogue of the claimed invention (RU 2574518), which contains a conversion plate made of an anisotropic crystal with quadratic non-linearity, and one located on its side face, a prism of a material transparent in the terahertz frequency range.

В указанном изобретении линейно поляризованные фемтосекундные лазерные импульсы фокусируются цилиндрической линзой (в линию) на торцевую грань преобразующей пластины, выполненной из кристалла ниоба-та лития (LiNbO3) толщины 20-40 мкм и, также как в первом указанном аналоге, индуцируют импульсы нелинейной поляризации. Распространяющаяся в кристалле нелинейная поляризация генерирует черенковский клин терагерцовых волн.In this invention, linearly polarized femtosecond laser pulses are focused by a cylindrical lens (in line) onto the end face of the conversion plate made of lithium niobate (LiNbO 3 ) with a thickness of 20-40 μm and, as in the first specified analogue, nonlinear polarization pulses are induced . The nonlinear polarization propagating in the crystal generates a Cherenkov wedge of terahertz waves.

Однако, в виду иной ориентации кристаллографических осей: ось [001] перпендикулярна плоскости пластины, ось [010] параллельна направлению распространения фемтосекундных лазерных импульсов и ось [100] параллельна вектору поляризации фемтосекундных лазерных импульсов, генерируемое терагерцовое излучение является сильно ассиметричным, направленным преимущественно в сторону кремниевой призмы. Временная форма импульсов при этом состоит из двух последовательных разнополярных всплесков амплитуды терагерцового поля, а спектральные характеристики оптико-терагерцового преобразователя улучшаются - не содержат провалов в генерируемом диапазоне терагерцовых частот.However, in view of the different orientation of the crystallographic axes: the [001] axis is perpendicular to the plate plane, the [010] axis is parallel to the propagation direction of the femtosecond laser pulses and the [100] axis is parallel to the polarization vector of the femtosecond laser pulses, the terahertz radiation generated is strongly asymmetric, directed mainly to the side silicon prism. The temporal shape of the pulses in this case consists of two consecutive bipolar bursts of the amplitude of the terahertz field, and the spectral characteristics of the optical terahertz converter are improved - they do not contain dips in the generated range of terahertz frequencies.

Недостатком аналога является снижение эффективности оптико-терагерцового преобразования из-за указанного, не являющегося оптимальным, выбора ориентации кристаллографических осей электрооптического кристалла. Эффективность оптико-терагерцового преобразования напрямую связана с величиной эффективного нелинейного коэффициента, который в указанном изобретении ограничен ~40-50 пм/В. В то время как при наиболее оптимальном выборе ориентации кристаллографических осей эффективный нелинейный коэффициент может достигать величины 166 пм/В.A disadvantage of the analogue is a decrease in the efficiency of the terahertz conversion due to the indicated, which is not optimal, the choice of orientation of the crystallographic axes of the electro-optical crystal. The efficiency of the optical terahertz conversion is directly related to the value of the effective nonlinear coefficient, which in the specified invention is limited to ~ 40-50 pm / V. At the same time, with the most optimal choice of orientation of the crystallographic axes, the effective nonlinear coefficient can reach 166 pm / V.

В качестве прототипа выбрана схема эффективной генерации широкополосного терагерцового излучения (см. S.B. Bodrov, М.I. Bakunov, М. Hangyo «Efficient Cherenkov emission of broadband terahertz radiation from an ultrashort laser pulse in a sandwich structure with nonlinear core.» JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, 2008, Vol. 104, p. 093105), в которой эффективная генерация широкополосного терагерцового излучения осуществляется с помощью фемтосекундного лазерного импульса, распространяющегося в плоской слоеной структуре, так называемой «сэндвич»-структуре. Структура состоит из тонкой нелинейной пластины, и призм, которые расположены по бокам пластины и сделаны из материала с низким терагерцовым поглощением. Фокусированный в линию лазерный импульс распространяется в пластине, как в волноводе, и испускает черенковский клин терагерцевых волн в боковые призмы. В статье приведена теория, которая описывает терагерцовую генерацию в таких «сэндвич»-структурах и расчетное пространственное распределение генерируемого терагерцового поля, его энергетический спектр и эффективность оптико-терагерцового преобразования. Разработанная теория предсказывает эффективность преобразования до нескольких процентов в слоеной структуре Si-LiNbO3-Si длиной 1 см и шириной 1 см с толщиной нелинейной пластины 20 мкм с накачкой титан-сапфировым лазером на 8,5 мкДж с длительностью импульса 100 фс.As a prototype, a scheme for the efficient generation of broadband terahertz radiation was selected (see SB Bodrov, M.I. Bakunov, M. Hangyo "Efficient Cherenkov emission of broadband terahertz radiation from an ultrashort laser pulse in a sandwich structure with nonlinear core." JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, 2008, Vol. 104, p. 093105), in which the effective generation of broadband terahertz radiation is carried out using a femtosecond laser pulse propagating in a flat layered structure, the so-called "sandwich" structure. The structure consists of a thin nonlinear plate, and prisms that are located on the sides of the plate and made of material with low terahertz absorption. A laser pulse focused in a line propagates in the plate, as in a waveguide, and emits a Cherenkov wedge of terahertz waves into the side prisms. The article presents a theory that describes terahertz generation in such “sandwich” structures and the calculated spatial distribution of the generated terahertz field, its energy spectrum and the efficiency of the terahertz conversion. The developed theory predicts a conversion efficiency of up to several percent in a Si-LiNbO3-Si puff structure 1 cm long and 1 cm wide with a nonlinear plate thickness of 20 μm pumped by a 8.5 μJ titanium-sapphire laser with a pulse duration of 100 fs.

Недостатком прототипа является разделение генерируемого терагерцового излучения на два неколлинеарно распространяющихся терагерцовых пучка вследствие черенковской геометрии структуры. В типичном эксперименте по генерации терагерцового излучения с помощью данного преобразователя используется лишь половина генерируемого излучения из какой-либо одной призмы, что приводит к потере половины рабочей терагерцовой энергии.The disadvantage of the prototype is the separation of the generated terahertz radiation into two noncollinearly propagating terahertz beams due to the Cherenkov geometry of the structure. In a typical experiment to generate terahertz radiation using this converter, only half of the generated radiation from any one prism is used, which leads to the loss of half of the working terahertz energy.

Создание оптической схемы по сведению двух терагерцовых пучков из двух призм представляет большую сложность в реализации (юстировке и согласовании оптических путей). При этом на элементах оптической схемы происходит заметная потеря терагерцовой энергии.The creation of an optical scheme for converting two terahertz beams from two prisms is of great difficulty in implementation (alignment and coordination of optical paths). In this case, a noticeable loss of terahertz energy occurs on the elements of the optical scheme.

Техническим результатом, который достигается при осуществлении предлагаемого изобретения, является создание оптико-терагерцового преобразователя линейно поляризованных фемтосекундных лазерных импульсов в импульсное терагерцовое изучение с улучшенными характеристиками генерируемого излучения: (i) увеличенным рабочим выходом терагерцового излучения за счет сложения двух терагерцовых пучков, коллинеарно и согласованно распространяющихся в двух выводящих призмах; (ii) генерацией более равномерного спектра в результате устранения деструктивной интерференции за счет использования двух выводящих терагерцовое излучение призм; (iii) увеличенной апертурой терагерцового пучка, позволяющей в дальнейшем сильнее фокусировать терагерцовое излучение.The technical result that is achieved in the implementation of the present invention is the creation of an optical terahertz converter of linearly polarized femtosecond laser pulses into a pulsed terahertz study with improved characteristics of the generated radiation: (i) increased working output of terahertz radiation due to the addition of two terahertz beams, collinear and collinear in two output prisms; (ii) the generation of a more uniform spectrum as a result of elimination of destructive interference due to the use of two prisms that extract terahertz radiation; (iii) an enlarged aperture of the terahertz beam, which allows further focusing of terahertz radiation.

Указанный технический результат обеспечивается тем, что предлагаемый оптико-терагерцовый преобразователь состоит из электрооптического кристалла, выполненного в виде тонкой пластины, и способного преобразовывать поступающие через его торцевую грань сфокусированные в линию фемтосекундные лазерные импульсы в терагерцовое излучение с помощью черенковского механизма, и двух оптических соединительных элементов, выполненных в виде треугольных призм, прозрачных в терагерцовом диапазоне частот, и размещенных на противоположных (боковых) гранях электрооптического кристалла с целью вывода генерируемого терагерцового излучения в свободное пространство. При этом сечение каждой из пары оптических призм представляет собой прямоугольный треугольник, один из катетов которого, контактирующий с боковой гранью электрооптического кристалла, расположен под острым углом к гипотенузе треугольника, являющейся внешней гранью оптической призмы. Причем оптические призмы выполнены таким образом, что со стороны входной торцевой грани пластины расположен острый угол треугольника (угол между гранью, контактирующей с пластиной, и внешней гранью), а со стороны выходной торцевой грани пластины - противолежащий этому острому углу другой катет прямоугольного треугольника, являющийся выходной гранью призмы. И острый угол выполнен такой величины, который обеспечивает полное внутреннее отражение от внешней грани оптической призмы прошедших в призму терагерцовых волн.The indicated technical result is ensured by the fact that the proposed terahertz optical converter consists of an electro-optical crystal made in the form of a thin plate and capable of converting femtosecond laser pulses focused through the end face into terahertz radiation using a Cherenkov mechanism and two optical connecting elements made in the form of triangular prisms, transparent in the terahertz frequency range, and placed on opposite (side) faces of the electro-optical crystal in order to output the generated terahertz radiation into free space. In this case, the cross section of each of the pair of optical prisms is a rectangular triangle, one of the legs of which, in contact with the side face of the electro-optical crystal, is located at an acute angle to the hypotenuse of the triangle, which is the outer face of the optical prism. Moreover, the optical prisms are made in such a way that on the side of the input end face of the plate there is an acute angle of the triangle (the angle between the face in contact with the plate and the external face), and on the side of the output end face of the plate there is another leg of the right triangle opposite to this sharp corner, which is output face of the prism. And the acute angle is made of such a magnitude that provides complete internal reflection from the outer edge of the optical prism of the terahertz waves transmitted into the prism.

При этом тонкая пластина, преобразующая фемтосекундные лазерные импульсы в терагерцовое излучение, выполнена из кристалла LiNbO3 с такой ориентацией кристаллографических осей, где ось [001] лежит в плоскости, являющейся перпендикулярной к направлению распространения и параллельной вектору поляризации фемтосекундных лазерных импульсов, а так же являющейся параллельной граням электрооптического кристалла, находящимся в соприкосновении с гранями размещения катетов треугольных призм.In this case, a thin plate that converts femtosecond laser pulses into terahertz radiation is made of a LiNbO 3 crystal with the orientation of the crystallographic axes, where the [001] axis lies in a plane that is perpendicular to the propagation direction and parallel to the polarization vector of the femtosecond laser pulses, and also parallel to the faces of the electro-optical crystal, which are in contact with the faces of the placement of the legs of the triangular prisms.

А каждая из пары оптических призм выполнена из высокоомного кремния с углом между гранями призмы 24°30'.And each of the pair of optical prisms is made of high-resistance silicon with an angle between the faces of the prism 24 ° 30 '.

На фиг. 1 представлено схематическое изображение предлагаемого оптико-терагерцового преобразователя, на фиг. 2 - вид сбоку оптико-терагерцового преобразователя, где изображен ход терагерцового излучения в преобразующей пластине и кремниевых призмах (выполнено штриховой линией); на фиг. 3 - представлены моментальные снимки генерируемого в структуре терагерцового электрического поля в последовательные моменты времени, на фиг. 4 - построены спектральные плотности терагерцового излучения в сечении выходной грани преобразователя на различном удалении от преобразующей пластины.In FIG. 1 is a schematic representation of the proposed terahertz optical converter; FIG. 2 is a side view of an optical terahertz transducer, which shows the course of terahertz radiation in a conversion plate and silicon prisms (made by a dashed line); in FIG. 3 shows snapshots of the terahertz electric field generated in the structure at successive times, FIG. 4 - spectral densities of terahertz radiation are constructed in the cross section of the output face of the transducer at different distances from the transforming plate.

Предлагаемый оптико-терагерцовый преобразователь состоит из (см. фиг. 1) электрооптического кристалла в форме пластины 1, двух оптических соединительных элементов, выполненных в виде треугольных оптических призм 2а и 2б из прозрачного в терагерцовом диапазоне частот материала, где местами соединения пластины 1 и призм 2а и 2б являются грани ADCB и A1D1C1B1; внешними гранями треугольных оптических призм являются: грань A1D1C2B2 треугольной оптической призмы 2а и грань ADC3B3 треугольной оптической призмы 2б, выходными гранями треугольных оптических призм являются: грань В1В2С2С1 треугольной оптической призмы 2а и грань В3ВСС3 треугольной оптической призмы 2б.The proposed optical terahertz converter consists of (see Fig. 1) an electro-optical crystal in the form of a plate 1, two optical connecting elements made in the form of triangular optical prisms 2a and 2b from a material transparent in the terahertz frequency range, where the places of the connection of the plate 1 and the prisms 2a and 2b are faces of ADCB and A 1 D 1 C 1 B 1 ; the external faces of the triangular optical prisms are: face A 1 D 1 C 2 B 2 of the triangular optical prism 2a and face ADC 3 B 3 of the triangular optical prism 2b, the output faces of the triangular optical prisms are: face B 1 V 2 C 2 C 1 of the triangular optical prism 2a and face B 3 of BCC 3 of a triangular optical prism 2b.

Соединение призм и пластины (места соединения - грани ADCB, A1D1C1B1) происходит при помощи глубокого оптического контакта или клея. Грани AA1D1D, BB1C1C, В3ВСС3, B1B2C2C1, A1D1C2B2, ADC3B3 оптически полированы.The connection of the prisms and the plate (the connection points are the faces of the ADCB, A 1 D 1 C 1 B 1 ) takes place using deep optical contact or glue. Facets AA 1 D 1 D, BB 1 C 1 C, B 3 BCC 3 , B 1 B 2 C 2 C 1 , A 1 D 1 C 2 B 2 , ADC 3 B 3 are optically polished.

Данная геометрия обеспечивает при работе предлагаемого преобразователя выполнение условия полного внутреннего отражения на внешних гранях оптических призм A1D1C2B2, ADC3B3, а также отражение терагерцовых волн от этих граней в направлении распространения фемтосекундных лазерных импульсов.This geometry ensures that, when the proposed converter operates, the conditions for total internal reflection on the external faces of the optical prisms A 1 D 1 C 2 B 2 , ADC 3 B 3 are met, as well as the reflection of terahertz waves from these faces in the direction of propagation of femtosecond laser pulses.

Преобразующая пластина 1 выполнена из электрооптического кристалла, оптическая [001] ось которого лежит в плоскости этой пластины (обозначена 3 на фиг. 2), и которая ортогональна направлению распространения лазерных импульсов и параллельна их поляризации. Оптические призмы 2а и 2б выполнены таким образом, что со стороны входной торцевой грани AA1D1D пластины 1 (см. фиг. 1) находятся острые углы призм: угол α между гранью A1D1C1B1 призмы 2а, и ее внешней гранью A1D1C2B2, и угол α1 между гранью ADCB призмы 2б и ее внешней гранью ADC3B3, а со стороны выходных торцевых граней - противолежащие этим углам катеты В1В2С2С1 и ВСС3В3 призм 2а и 2б.The conversion plate 1 is made of an electro-optical crystal, the optical [001] axis of which lies in the plane of this plate (indicated by 3 in Fig. 2), which is orthogonal to the direction of propagation of the laser pulses and parallel to their polarization. The optical prisms 2a and 2b are made in such a way that from the side of the input end face AA 1 D 1 D of the plate 1 (see Fig. 1) there are sharp angles of the prisms: the angle α between the face A 1 D 1 C 1 B 1 of the prism 2a, and its external face A 1 D 1 C 2 B 2 , and the angle α 1 between the face ADCB of prism 2b and its external face ADC 3 B 3 , and from the side of the output end faces, opposite legs 1 B 2 C 2 C 1 and BCC 3 B 3 prisms 2a and 2b.

В оптико-терагерцовом преобразователе преобразующая пластина 1 может быть выполнена из кристалла ниобата лития (LiNbO3) с лежащей в плоскости пластины оптической [001] осью 3, ориентированной ортогонально направлению распространения лазерных импульсов и параллельно их поляризации; толщина кристалла выбирается из интервала 30-50 мкм. Оптические призмы могут быть выполнены из высокоомного кремния с углами α и α1, равными 24°30' между примыкающими к преобразующей пластине 1 гранями и внешними гранями призм 2а и 2б, для выполнения условия полного внутреннего отражения терагерцовых волн.In an optical terahertz converter, the conversion plate 1 can be made of a lithium niobate crystal (LiNbO 3 ) with an optical axis [3] lying in the plane of the plate and axis 3 oriented orthogonally to the direction of propagation of the laser pulses and parallel to their polarization; the thickness of the crystal is selected from the interval of 30-50 microns. Optical prisms can be made of high-resistance silicon with angles α and α 1 equal to 24 ° 30 'between the faces adjacent to the transforming plate 1 and the outer faces of prisms 2a and 2b, in order to fulfill the condition of total internal reflection of terahertz waves.

Предлагаемый оптико-терагерцовый преобразователь работает следующим образом.The proposed optical terahertz converter operates as follows.

Сфокусированный на входную торцевую грань AA1D1D пластины 1 линейно поляризованный фемтосекундный лазерный импульс 4 (см. фиг. 2) распространяется в пластине 1, как в волноводе, и индуцирует вследствие оптического выпрямления импульс нелинейной поляризации, который, распространяясь с групповой скоростью лазерного импульса, превышающей фазовую скорость терагерцовых волн, генерирует черенковский клин терагерцовых волн. Сгенерированное в пластине 1 терагерцовое излучение выводится в свободное пространство через оптические кремниевые призмы 2а и 2б. Лучевые траектории 5 терагерцовых волн показаны на фиг. 2 штриховыми линиями. Преломление терагерцовых волн на границах A1D1C1B1 (ADCB) пластины 1 - кремниевые призм 2а (2б) происходит почти без отражения. Специально подобранный угол α (α1) между примыкающей к пластине 1 гранью ADCB (A1D1C1B1) и внешней гранью ADC3B3 (A1D1C2B2) призм обеспечивает полное внутреннее отражение падающей на внешнюю грань призмы 2а (2б) терагерцовой волны в направлении распространения лазерного импульса (6 - угол β полного внутреннего отражения указан на фиг. 2). Далее терагерцовые волны в каждой из призм 2а и 2б падают нормально на выходные, расположенные перпендикулярно пластине 1, грани В1В2С2С1 и ВСС3В3 призм 2а и 2б.A linearly polarized femtosecond laser pulse 4 (focused on FIG. 2) focused on the input end face AA 1 D 1 D of the plate 1 propagates in the plate 1, as in a waveguide, and induces a nonlinear polarization pulse due to optical rectification, which propagates with the group velocity of the laser a pulse exceeding the phase velocity of terahertz waves is generated by the Cherenkov wedge of terahertz waves. The terahertz radiation generated in the plate 1 is discharged into the free space through optical silicon prisms 2a and 2b. The ray paths 5 of terahertz waves are shown in FIG. 2 dashed lines. Refraction of terahertz waves at the boundaries A 1 D 1 C 1 B 1 (ADCB) of wafer 1 - silicon prisms 2a (2b) occurs almost without reflection. A specially selected angle α (α 1 ) between the ADCB face (A 1 D 1 C 1 B 1 ) adjacent to the plate 1 and the outer face of the ADC 3 B 3 (A 1 D 1 C 2 B 2 ) prisms provides full internal reflection of the incident on the external the prism face 2a (2b) of the terahertz wave in the direction of propagation of the laser pulse (6 - the angle β of total internal reflection is shown in Fig. 2). Then the terahertz waves in each of the prisms 2a and 2b fall normally on the weekend, perpendicular to the plate 1, faces В 1 В 2 С 2 С 1 and ВСС 3 В 3 prisms 2а and 2б.

В выходном сечении структуры - граней B1B2C2C1 и ВСС3В3 две терагерцовые волны из призм 2а и 2б складываются и далее распространяются, как одна терагерцовая волна 7 (см. фиг. 2). Согласованное сложение двух волн обуславливается симметрией структуры и единым источником.In the output section of the structure - faces B 1 B 2 C 2 C 1 and BCC 3 B 3, two terahertz waves from prisms 2a and 2b are added and then propagate as one terahertz wave 7 (see Fig. 2). The coordinated addition of two waves is determined by the symmetry of the structure and a single source.

Подтверждением технического результата заявляемого изобретения служит следующее расчетное обоснование.Confirmation of the technical result of the claimed invention is the following calculation justification.

Выберем кристалл ниобата лития (LiNbO3) в качестве электрооптического материала, из которого выполнена преобразующая пластина 1 толщиной 30 мкм (см. фиг. 1). Рассмотрим импульс титан-сапфирового лазера с длиной волны 800 нм, длительностью 100 фс и пиковой интенсивностью 100 ГВт/см2, фокусируемый на входную торцевую грань AA1D1D преобразующей пластины 1 с толщиной 30 мкм и длиной 1 см. Оптическая [001] ось кристалла ориентирована в плоскости пластины 1 перпендикулярно направлению распространения лазерного импульса. Падающий лазерный импульс линейно поляризован, а вектор его поляризации сонаправлен с оптической осью кристалла.We choose a crystal of lithium niobate (LiNbO 3 ) as the electro-optical material from which the conversion plate 1 is made of a thickness of 30 μm (see Fig. 1). Consider a pulse of a titanium-sapphire laser with a wavelength of 800 nm, a duration of 100 fs, and a peak intensity of 100 GW / cm 2 focused on the input end face AA 1 D 1 D of the conversion plate 1 with a thickness of 30 μm and a length of 1 cm. Optical [001] the axis of the crystal is oriented in the plane of the plate 1 perpendicular to the direction of propagation of the laser pulse. The incident laser pulse is linearly polarized, and its polarization vector is aligned with the optical axis of the crystal.

В статье S.B. Bodrov, I.E. Ilyakov, B.V. Shishkin, M.I. Bakunov «Highly efficient Cherenkov-type terahertz generation by 2-μm wavelength ultrashort laser pulses in a prism-coupled LiNbO3 layer», OPTICS EXPRESS, 2019, Vol.27, P. 36059 проведено экспериментальное исследование эффективности оптико-терагерцового преобразования в зависимости от энергии лазерных импульсов длины волны накачки. Для рассматриваемого нами случая накачки кристалла ниобата лития с толщиной 30 мкм импульсами титан-сапфирового лазера с длиной волны 800 нм, пиковой интенсивностью 100 ГВт/см2 и длительностью 100 фс эффективность оптико-терагерцового преобразования оценивается в 0,3%, т.е. оптическая энергия 30 мкДж/см лазерного импульса накачки преобразуется в 90 нДж/см энергии терагерцового излучения.In the article SB Bodrov, IE Ilyakov, BV Shishkin, MI Bakunov “Highly efficient Cherenkov-type terahertz generation by 2-μm wavelength ultrashort laser pulses in a prism-coupled LiNbO3 layer”, OPTICS EXPRESS, 2019, Vol.27, P. 36059 An experimental study was made of the efficiency of the optical terahertz conversion as a function of the energy of laser pulses of the pump wavelength. For our case of pumping a lithium niobate crystal with a thickness of 30 μm by pulses of a titanium-sapphire laser with a wavelength of 800 nm, a peak intensity of 100 GW / cm 2 and a duration of 100 fs, the efficiency of the terahertz conversion is estimated at 0.3%, i.e. the optical energy of 30 μJ / cm of the laser pump pulse is converted to 90 nJ / cm of terahertz radiation energy.

В данной статье, как и в упомянутых ранее первом аналоге и прототипе, а также настоящем изобретении, выбрана оптимальная ориентация кристаллографических осей для максимизации оптико-терагерцового преобразования. Однако, в данном экспериментальном исследовании, как и в первом аналоге, использовалась структура, состоящая из преобразующей пластины и одной призмы, следовательно, около 5-10% терагерцовой энергии теряется из-за сильного поглощения в преобразующей пластине при отражении половины генерируемого излучения от нижней границы пластины.In this article, as in the first analogue and prototype mentioned above, as well as the present invention, the optimal orientation of the crystallographic axes is selected to maximize the terahertz conversion. However, in this experimental study, as in the first analogue, we used a structure consisting of a conversion plate and one prism; therefore, about 5-10% of terahertz energy is lost due to strong absorption in the conversion plate when half of the generated radiation is reflected from the lower boundary plates.

Предлагаемый нами оптико-терагерцовый преобразователь лишен такого недостатка, а значит оценку величины рабочей генерируемой терагерцовой энергии можно увеличить на 5-10%, т.е. оптическая энергия 30 мкДж/см лазерного импульса накачки преобразуется в 100 нДж/см энергии терагерцового излучения.The optical terahertz converter we offer is free from such a drawback, which means that the estimate of the working generated terahertz energy can be increased by 5-10%, i.e. the optical energy of 30 μJ / cm of the laser pump pulse is converted to 100 nJ / cm of terahertz radiation energy.

Чтобы исследовать процесс терагерцовой генерации и формирование терагерцового поля в предлагаемой структуре было проведено численное моделирование методом конечных разностей во временной области (FDTD). С помощью разработанного численного кода были получены моментальные снимки терагерцового электрического поля в рассматриваемой структуре в последовательные моменты времени t1, t2 соответственно, см. фиг. 3а, 3б. На фиг. 3а-б затемненная область представляет собой исследуемую структуру, состоящую из тонкой (толщины 30 мкм) преобразующей пластины 1 из кристалла ниобата лития и двух кремниевых призм 2а и 2б, выводящих генерируемые волны в свободное пространство.To study the process of terahertz generation and the formation of a terahertz field in the proposed structure, a numerical simulation by the finite difference method in the time domain (FDTD) was performed. Using the developed numerical code, snapshots of the terahertz electric field in the structure under consideration were obtained at successive times t 1 , t 2, respectively, see FIG. 3a, 3b. In FIG. 3a-b, the shaded area represents the structure under study consisting of a thin (30 μm thick) transforming plate 1 made of a lithium niobate crystal and two silicon prisms 2a and 2b, which remove the generated waves into free space.

На фиг. 3а представлен моментальный снимок терагерцового электрического поля в момент времени t1, когда лазерный импульс накачки 4 находится в сечении z=7 мм, т.е. бежит внутри преобразующей пластины 1. Сгенерированное к этому моменту времени терагерцовое поле (обозначено 8-9 на фиг. 3а) практически полностью находится внутри кремниевых призм 2а и 2б и состоит из двух частей (волн) - черенковского клина терагерцовых волн 8 и испытавшей полное внутреннее отражение на внешней грани призмы терагерцовой волны 9. Терагерцовая волна представляет собой черенковский клин с углом раскрыва 41 градус (обозначена 8 на фиг. 3а) по отношению к пластине 1. В сечении z=4,5 мм терагерцовая волна черенковского клина испытывает полное внутреннее отражение на внешних гранях (A1D1C2B2 и ADC3B3 на фиг. 1) призм 2а и 2б. В результате, претерпевшая отражение волна 9 распространяется далее вдоль оси z, т.е. ее волновой фронт 9 параллелен выходным граням (B1B2C2C1 и ВСС3В3 на фиг. 1) призм 2а и 2б.In FIG. 3a shows a snapshot of the terahertz electric field at time t 1 when the laser pump pulse 4 is in the cross section z = 7 mm, i.e. runs inside the conversion plate 1. The terahertz field generated by this moment of time (designated 8–9 in Fig. 3a) is almost completely located inside the silicon prisms 2a and 2b and consists of two parts (waves) —the Cherenkov wedge of terahertz waves 8 and experienced a complete internal reflection on the outer edge of the prism of the terahertz wave 9. The terahertz wave is a Cherenkov wedge with an opening angle of 41 degrees (indicated by 8 in Fig. 3a) with respect to the plate 1. In the cross section z = 4.5 mm, the terahertz wave of the Cherenkov wedge experiences total internal reflection on the external faces (A 1 D 1 C 2 B 2 and ADC 3 B 3 in Fig. 1) of prisms 2a and 2b. As a result, the reflected wave 9 propagates further along the z axis, i.e. its wavefront 9 is parallel to the output faces (B 1 B 2 C 2 C 1 and BCC 3 B 3 in Fig. 1) of prisms 2a and 2b.

На фиг.3б изображен моментальный снимок поля в следующий момент времени t2. К этому моменту лазерный импульс накачки уже вылетел из кристалла. Терагерцовая волна 10 (см. фиг.3б), испытавшая полное внутреннее отражение на внешней грани призм 2а(2б), пересекает (по нормали) выходную грань призм 2а(2б). Апертура терагерцовой волны на выходе из рассматриваемой структуры с пластиной 1 длины 1 см составляет 9 мм (см. фиг.3б).On figb shows a snapshot of the field at the next time t 2 . At this point, the laser pump pulse has already emitted from the crystal. The terahertz wave 10 (see FIG. 3b), which experienced complete internal reflection on the outer face of prisms 2a (2b), crosses (along the normal) the output face of prisms 2a (2b). The aperture of the terahertz wave at the exit from the structure under consideration with a plate 1 of length 1 cm is 9 mm (see Fig. 3b).

На фиг. 4 построены спектральные плотности терагерцовых импульсов в выходном сечении структуры (грань В2С2С3В3 на фиг. 1) при z=10 мм на (см. фиг. 3) на различном удалении от преобразующей пластины 1: х=1,6 мм, 2,4 мм, 3,2 мм и 4 мм. Хорошо видно, что спектр генерируемого терагерцового излучения в поперечном направлении имеет однородный равномерный (без провалов) характер.In FIG. 4, the spectral densities of terahertz pulses are constructed in the output section of the structure (face В 2 С 2 С 3 В 3 in Fig. 1) at z = 10 mm per (see Fig. 3) at different distances from the transforming plate 1: x = 1, 6 mm, 2.4 mm, 3.2 mm and 4 mm. It is clearly seen that the spectrum of the generated terahertz radiation in the transverse direction has a uniform uniform (without dips) character.

Таким образом, изложенное выше обоснование (работающее и для других анизотропных нелинейных кристаллов) подтверждает улучшенные характеристики терагерцового излучения (спектр, рабочий выход, поперечный размер пучка) на выходе предлагаемого преобразователя, а простота конструкции последнего минимизирует использование технических средств при его изготовлении в расширенном интервале толщин преобразующей пластины 1, включающем технологически выгодные толщины.Thus, the justification set forth above (which also works for other anisotropic nonlinear crystals) confirms the improved characteristics of terahertz radiation (spectrum, working output, transverse beam size) at the output of the proposed transducer, and the simplicity of the design of the latter minimizes the use of technical means in its manufacture in an extended thickness range a conversion plate 1 comprising technologically advantageous thicknesses.

Claims (3)

1. Оптико-терагерцовый преобразователь, включающий электрооптический кристалл, способный преобразовывать фемтосекундные лазерные импульсы в терагерцовое излучение с помощью черенковского механизма, и два оптических соединительных элемента, прилегающих к электрооптическому кристаллу, отличающийся тем, что оптические соединительные элементы выполнены в виде треугольных призм, прозрачных в терагерцовом диапазоне частот и размещенных на противоположных гранях электрооптического кристалла, при этом сечение каждой из пары оптических призм представляет собой прямоугольный треугольник, один из катетов которого, контактирующий с гранью электрооптического кристалла, расположен под острым углом к гипотенузе треугольника, являющейся внешней гранью оптической призмы, причем оптические призмы выполнены таким образом, что со стороны входной торцевой грани электрооптического кристалла расположен острый угол треугольника, а со стороны выходной торцевой грани оптического кристалла - противолежащий этому острому углу другой катет прямоугольного треугольника, являющийся выходной гранью призмы, и острый угол выполнен такой величины, который обеспечивает полное внутреннее отражение прошедших в призму терагерцовых волн от внешней грани каждой оптической призмы в направлении распространения фемтосекундных лазерных импульсов.1. An optical terahertz converter comprising an electro-optical crystal capable of converting femtosecond laser pulses to terahertz radiation using the Cherenkov mechanism, and two optical connecting elements adjacent to the electro-optical crystal, characterized in that the optical connecting elements are made in the form of triangular prisms transparent in terahertz frequency range and located on opposite faces of the electro-optical crystal, while the cross section of each pair of optical prisms is a right triangle, one of the legs of which is in contact with the face of the electro-optical crystal, is at an acute angle to the hypotenuse of the triangle, which is the outer face of the optical prism, and optical prisms are designed so that on the side of the input end face of the electro-optical crystal there is an acute angle of the triangle, and on the side of the output end face of the optical crystal is opposite to this to the acute angle of the other leg of the right triangle, which is the output face of the prism, and the acute angle is of such a magnitude that provides full internal reflection of the terahertz waves transmitted to the prism from the external face of each optical prism in the direction of propagation of femtosecond laser pulses. 2. Оптико-терагерцовый преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что ось [001] электрооптического кристалла, выполненного из кристалла LiNbO3, расположена в плоскости, являющейся перпендикулярной к направлению распространения и параллельной вектору поляризации фемтосекундных лазерных импульсов, а также являющейся параллельной граням электрооптического кристалла, находящимся в соприкосновении с гранями размещения катетов треугольных призм.2. The terahertz optical converter according to claim 1, characterized in that the axis [001] of the electro-optical crystal made of a LiNbO3 crystal is located in a plane that is perpendicular to the propagation direction and parallel to the polarization vector of the femtosecond laser pulses, and also parallel to the faces of the electro-optical crystal in contact with the faces of the placement of the legs of the triangular prisms. 3. Оптико-терагерцовый преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что каждая из пары оптических призм выполнена из высокоомного кремния с острым углом между гранями призмы 24°30'.3. The optical terahertz converter according to claim 1, characterized in that each of the pair of optical prisms is made of high-resistance silicon with an acute angle between the faces of the prism 24 ° 30 '.
RU2019145458A 2019-12-27 2019-12-27 Opto-terahertz converter RU2724974C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019145458A RU2724974C1 (en) 2019-12-27 2019-12-27 Opto-terahertz converter

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019145458A RU2724974C1 (en) 2019-12-27 2019-12-27 Opto-terahertz converter

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2724974C1 true RU2724974C1 (en) 2020-06-29

Family

ID=71509837

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019145458A RU2724974C1 (en) 2019-12-27 2019-12-27 Opto-terahertz converter

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2724974C1 (en)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012014155A (en) * 2010-06-03 2012-01-19 Canon Inc Terahertz wave generation element, terahertz wave detection element, and terahertz time domain spectral instrument
CN106936053A (en) * 2017-03-17 2017-07-07 湖北久之洋红外系统股份有限公司 A kind of terahertz emission source device

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012014155A (en) * 2010-06-03 2012-01-19 Canon Inc Terahertz wave generation element, terahertz wave detection element, and terahertz time domain spectral instrument
CN106936053A (en) * 2017-03-17 2017-07-07 湖北久之洋红外系统股份有限公司 A kind of terahertz emission source device

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Koji Suizu, Kaoru Koketsu, Takayuki Shibuya, Toshihiro Tsutsui, Takuya Akiba, and Kodo Kawase, "Extremely frequency-widened terahertz wave generation using Cherenkov-type radiation," Opt. Express 17, 6676-6681 (2009). *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Kawase et al. Unidirectional radiation of widely tunable THz wave using a prism coupler under noncollinear phase matching condition
US10331010B2 (en) Terahertz-wave generating element terahertz-wave detecting element and terahertz time-domain spectroscopy device
JP5967867B2 (en) Terahertz wave generating element, terahertz wave detecting element, and terahertz time domain spectroscopic device
JP5666847B2 (en) Electromagnetic oscillation element
Wang et al. Energy scaling and extended tunability of a ring cavity terahertz parametric oscillator based on KTiOPO4 crystal
RU2724974C1 (en) Opto-terahertz converter
Alippi et al. Incidence angle and polarization dependence of light diffracted by acoustic surface waves
RU2478242C2 (en) Q-switched and mode-coupled laser
RU175818U1 (en) SOURCE OF NARROW-BAND THERAHZER RADIATION PROCESSED IN A LITHIUM NIOBATE CRYSTAL IN THE DIRECTION OF REVERSE THE EXTENSION OF EXCITING ULTRASHORT LASER PULSES
DE102009001452A1 (en) Method for generating a harmonic generating device
Pozhar et al. Compression of ultrashort light pulses
RU2655469C1 (en) Method for generating narrow-band terahertz radiation (embodiments)
US3529886A (en) Iodic acid acousto-optic devices
CN106936053A (en) A kind of terahertz emission source device
Blomme et al. Acousto-optic laser chopper based on light diffraction by hypersonic standing waves in lithium niobate single crystal
RU175819U1 (en) SOURCE OF NARROW-BAND THERAHZ RADIATION PRODUCED IN A LITHIUM NIOBAT CRYSTAL IN THE DIRECTION OF DISTRIBUTION OF EXCITING ULTRA-SHORT LASER PULSES
Kazansky Photoinduced conversion of radiation polarization in integrated optics components based on LiNbO/sub 3
CN210490073U (en) Laser oscillator
Petrov Acoustooptic and electrooptic guided wave conversion to leaky waves in an anisotropic optical waveguide
Kashiwazaki et al. Continuous-wave 6-dB-squeezed vacuum state of light from optical parametric amplifier with THz-order bandwidth
Scaglia Field-Resolved Detection of Terahertz Pulses Based on a Four-Wave Mixing Nonlinearity
McCracken et al. Brewster mirror ultrafast optical parametric oscillator with high precision wavelength tuning
Pureur et al. Absolute prism-assisted Maker fringe measurements of the nonlinear profile in thermally poled silica
Ozawa et al. Electro-optic sampling of terahertz pulses using BaTiO 3 in non-collinear Cherenkov phase-matching scheme
Kotov et al. Pulse Modulation of Multicolor Radiation Via Light Diffraction by Sound