RU2777461C1

RU2777461C1 - Working node of the pulsed terahertz radiation detector

Info

Publication number: RU2777461C1
Application number: RU2021128525A
Authority: RU
Inventors: Михаил Иванович Бакунов; Александр Иванович Шугуров
Filing date: 2021-09-29
Publication date: 2022-08-04

Abstract

FIELD: measuring technology.

SUBSTANCE: invention relates to devices for optical measurement of an alternating electric field of terahertz radiation and can be used as a basic structural unit in detectors of broadband pulsed terahertz radiation. The device contains an electro-optical crystal made in the form of a plate made of lithium niobate and transparent in the terahertz range, and a trapezoidal optical prism placed with its large base on the specified plate for introducing terahertz radiation into it, providing detection of terahertz radiation by changing the direction of the polarization vector of an optical femtosecond pulse under the action of the electric field of the detected pulse of terahertz radiation due to Pockels effect while providing Cherenkov synchronism conditions. An electro-optical crystal and a prism provide detection of a terahertz radiation pulse by changing the direction of the polarization vector created by a laser with a wavelength of 800-1550 nm of an optical femtosecond pulse with a duration of 70-100 fs. The crystal plate is made with the condition that its crystallographic axis [001] is oriented perpendicular to the polarization vector of the optical femtosecond pulse, and the crystallographic axis [100] is parallel to the polarization vector of the electric field of the detected terahertz radiation pulse, while the latter axis is oriented parallel or perpendicular to the polarization vector of the optical femtosecond pulse.

EFFECT: increase in performance characteristics while simplifying the optical scheme, expanding the range of acceptable sources of optical radiation.

2 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам оптического измерения переменного электрического поля терагерцового излучения, функционирующим на основе эффекта Поккельса, и может быть использовано в качестве базового конструктивного узла в детекторах широкополосного импульсного терагерцового излучения для высокочувствительного оборудования спектроскопии, микроскопии и имиджинга.The invention relates to devices for optical measurement of an alternating electric field of terahertz radiation, operating on the basis of the Pockels effect, and can be used as a basic structural unit in broadband pulsed terahertz radiation detectors for highly sensitive equipment for spectroscopy, microscopy and imaging.

Одним из распространённых способов измерения электрического поля терагерцового излучения является электрооптическое (ЭО) стробирование терагерцовых импульсов фемтосекундными лазерными импульсами (см. статью на англ яз Q. Wu, X. and other «Ultrafast electro-optic field sensors». APPLIED PHISICS LETTERS, 1996, v. 68, №12, p. 1604-1606). В данном методе зондирующий оптический фемтосекундный импульс распространяется коллинеарно с импульсом терагецового излучения в ЭО кристалле и испытывает изменение поляризации в результате эффекта Поккельса, состоящего в наведении электрическим полем терагецового излучения двойного лучепреломления в ЭО кристалле. Измеряя изменение поляризации как функцию временной задержки между импульсами, можно отобразить временную зависимость электрического поля терагецового излучения (см. книгу на русск. яз. авторов Чжан С.Ч., Шю Д. «Терагерцовая фотоника», М. - Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2016, с. 62). Поляризационные измерения проводятся с помощью стандартной схемы, включающей четвертьволновую пластинку, призму Волластона и балансный фотодетектор.One of the common ways to measure the electric field of terahertz radiation is electro-optical (EO) gating of terahertz pulses with femtosecond laser pulses (see the article in English by Q. Wu, X. and other "Ultrafast electro-optic field sensors". APPLIED PHISICS LETTERS, 1996, v. 68, no. 12, pp. 1604-1606). In this method, the probing optical femtosecond pulse propagates collinearly with the terahetz radiation pulse in the EO crystal and experiences a change in polarization as a result of the Pockels effect, which consists in inducing birefringence in the EO crystal by the electric field of terahets radiation. By measuring the change in polarization as a function of the time delay between pulses, it is possible to display the time dependence of the electric field of terahertz radiation (see the book in Russian by the authors Zhang S.Ch., Shu D. "Terahertz Photonics", M. - Izhevsk: Institute for Computer Research , 2016, p. 62). Polarization measurements are carried out using a standard scheme, including a quarter-wave plate, a Wollaston prism, and a balanced photodetector.

Для эффективного ЭО стробирования требуется равенство групповой скорости оптического фемтосекундного импульса и фазовой скорости импульса терагерцового излучения. Данное условие может быть выполнено только при некоторых длинах волн оптического импульса в специально подобранных кристаллах, например, в кристалле ZnTe для импульсов титан-сапфирового (Ti:sappire) лазера с длиной волны 800 нм. Для более удобных в практическом применении волоконных лазеров с длиной волны около 1550 нм не существует кристаллов, обеспечивающих согласование скоростей оптического фемтосекундного импульса и импульса терагерцового излучения в стандартной коллинеарной схеме. Добиться согласования скоростей для произвольной длины волны оптического фемтосекундного импульса можно с помощью неколлинеарной схемы, в которой оптический фемтосекундный импульс распространяется под черенковским углом к направлению распространения импульса терагерцового излучения. Неколлинеарная схема ЭО стробирования была впервые описана в статье на англ. яз. M. Tani and other «Efficient electrooptic sampling detection of terahertz radiation via Cherenkov phase matching». OPTICS EXPRESS, 2011, v. 19, №21, p. 19901-19906.Efficient EO gating requires that the group velocity of an optical femtosecond pulse and the phase velocity of a terahertz radiation pulse be equal. This condition can be met only at certain optical pulse wavelengths in specially selected crystals, for example, in a ZnTe crystal for titanium-sapphire (Ti:sappire) laser pulses with a wavelength of 800 nm. For more practical fiber lasers with a wavelength of about 1550 nm, there are no crystals that provide matching of the velocities of an optical femtosecond pulse and a terahertz radiation pulse in a standard collinear scheme. Velocity matching for an arbitrary wavelength of an optical femtosecond pulse can be achieved using a noncollinear scheme in which the optical femtosecond pulse propagates at a Cherenkov angle to the direction of propagation of the terahertz radiation pulse. The non-collinear EO gating scheme was first described in an article in English. lang. M. Tani and other "Efficient electrooptic sampling detection of terahertz radiation via Cherenkov phase matching". OPTICS EXPRESS, 2011, v. 19, no. 21, p. 19901-19906.

Известен детектор импульсного терагерцового излучения (см., патент US 7177071, G02F 1/355, H01S 5/323, 2007), использующий в качестве рабочего узла ЭО кристалл, на входную грань которого падают по нормали зондирующий оптический фемтосекундный импульс и импульс терагерцового излучения. При этом данные импульсы будут коллинеарно распространяться внутри кристалла.A detector of pulsed terahertz radiation is known (see, patent US 7177071, G02F 1/355, H01S 5/323, 2007), which uses an EO crystal as a working unit, on the input face of which a probing optical femtosecond pulse and a terahertz radiation pulse fall along the normal. In this case, these pulses will propagate collinearly inside the crystal.

В указанном изобретении рабочим узлом детектора импульсного терагерцового излучения является ЭО кристалл. В ЭО кристалле при коллинеарном распространении зондирующего оптического фемтосекундного импульса и импульса терагерцового излучения, под действием электрического поля терагерцового излучения и в результате эффекта Поккельса происходит изменение направления вектора поляризации оптического фемтосекундного импульса.In this invention, the working unit of the detector of pulsed terahertz radiation is an EO crystal. In an EO crystal, with collinear propagation of a probing optical femtosecond pulse and a terahertz radiation pulse, under the action of the electric field of terahertz radiation and as a result of the Pockels effect, the direction of the polarization vector of the optical femtosecond pulse changes.

Недостатком этого аналога является невозможность добиться согласования скоростей импульса терагерцового излучения и оптического фемтосекундного импульса в ЭО кристалле для произвольной длины волны зондирующего оптического фемтосекундного импульса. В таком случае импульсы будут смещаться друг относительно друга, что приведет к уменьшению поляризационных изменений оптического фемтосекундного импульса, и, как следствие, ухудшится соотношение сигнал-шум в измеренной временной зависимости электрического поля терагерцового излучения. Для предотвращения данного эффекта необходимо использовать кристалл с длиной, меньшей той, на которой импульсы еще не успеют существенно сместиться друг относительно друга. Ограничение длины используемого кристалла приводит к уменьшению спектрального разрешения в измеряемом импульсе. Также недостатком подобной схемы можно считать дисперсию импульсов терагерцового излучения в ЭО кристалле. Вследствие того, что компоненты импульса терагерцового излучения с разной частотой будут распространяться на разных скоростях, становится невозможно добиться согласования скоростей зондирующего оптического фемтосекундного импульса и всех компонент терагерцового излучения, что приводит к невозможности создать детектор импульсного терагерцового излучения работающий в широкой полосе терагерцовых длин волн.The disadvantage of this analogue is the impossibility to achieve matching of the velocities of the terahertz radiation pulse and the optical femtosecond pulse in the EO crystal for an arbitrary wavelength of the probing optical femtosecond pulse. In this case, the pulses will shift relative to each other, which will lead to a decrease in the polarization changes of the optical femtosecond pulse, and, as a result, the signal-to-noise ratio in the measured time dependence of the terahertz radiation electric field will deteriorate. To prevent this effect, it is necessary to use a crystal with a length shorter than the one at which the pulses do not yet have time to significantly shift relative to each other. Limiting the length of the used crystal leads to a decrease in the spectral resolution in the measured pulse. Also, a disadvantage of such a scheme can be considered the dispersion of terahertz radiation pulses in the EO crystal. Due to the fact that the components of the terahertz radiation pulse with different frequencies will propagate at different speeds, it becomes impossible to achieve matching of the velocities of the probing optical femtosecond pulse and all components of the terahertz radiation, which makes it impossible to create a detector of pulsed terahertz radiation operating in a wide band of terahertz wavelengths.

Известен аналог заявляемого изобретения (см. патент RU 2637182, G02F 1/03, 2017) использующий в качестве рабочего узла кристалл GaAs и неколлинеарную схему согласования скоростей оптического фемтосекундного импульса и импульса терагерцового излучения внутри кристалла. Как было сказано выше, в данной схеме оптический фемтосекундный импульс распространяется под черенковским углом к направлению распространения импульса терагерцового излучения.An analogue of the claimed invention is known (see patent RU 2637182, G02F 1/03, 2017) using a GaAs crystal as a working unit and a non-collinear scheme for matching the speeds of an optical femtosecond pulse and a terahertz radiation pulse inside the crystal. As mentioned above, in this scheme, an optical femtosecond pulse propagates at a Cherenkov angle to the direction of propagation of a terahertz radiation pulse.

В данном аналоге в качестве рабочего узла детектора импульсного терагерцового излучения используется пластина из кристалла GaAs. Линейно поляризованный импульс терагерцового излучения фокусируется на эту пластину нормально к её поверхности. Линейно поляризованный оптический фемтосекундный импульс из волоконного лазера с длиной волны λ ≈ 1,56 мкм фокусируется на указанную пластину под углом ≈ 50° в место падения импульса терагерцового излучения. Преломлённый оптический фемтосекундный импульс распространяется в пластине под углом 12° к направлению распространения импульса терагерцового излучения. В пластине GaAs в результате эффекта Поккельса под действием электрического поля импульса терагерцового излучения происходит изменение направления вектора поляризации оптического фемтосекундного импульса.In this analogue, a GaAs crystal plate is used as a working unit of the detector of pulsed terahertz radiation. A linearly polarized terahertz radiation pulse is focused on this plate normally to its surface. A linearly polarized optical femtosecond pulse from a fiber laser with a wavelength of λ ≈ 1.56 μm is focused on the specified plate at an angle of ≈ 50° to the place of incidence of the terahertz radiation pulse. The refracted optical femtosecond pulse propagates in the plate at an angle of 12° to the direction of propagation of the terahertz radiation pulse. In a GaAs wafer, as a result of the Pockels effect, under the action of the electric field of a terahertz radiation pulse, the direction of the polarization vector of the optical femtosecond pulse changes.

Особенностью указанного аналога, как и любого рабочего узла детектора импульсного терагерцового излучения используемого в черенковской схеме ЭО стробирования, является его способность работать с кристаллами сантиметровой толщины, что позволяет использовать широкие временные окна измерения ЭО сигнала, что повышает спектральное разрешение измеряемого спектра импульса терагерцового излучения до нескольких гигагерц.A feature of this analogue, as well as any working unit of the pulsed terahertz radiation detector used in the Cherenkov EO gating scheme, is its ability to work with centimeter-thick crystals, which allows the use of wide time windows for measuring the EO signal, which increases the spectral resolution of the measured spectrum of the terahertz radiation pulse to several gigahertz.

Недостатком данного аналога является то, что кристалл GaAs нельзя использовать совместно с некоторыми распространенными типами источников излучения, в частности с Ti:sappire лазером (λ ≈ 800 нм), из-за оптической непрозрачности кристалла на длинах волн излучаемых данными источниками.The disadvantage of this analogue is that the GaAs crystal cannot be used in conjunction with some common types of radiation sources, in particular with a Ti:sappire laser (λ ≈ 800 nm), due to the optical opacity of the crystal at wavelengths emitted by these sources.

В качестве прототипа выбран рабочий узел детектора импульсного терагерцового излучения используемый в схеме ЭО стробирования и содержащий ЭО кристалл, выполненный в виде пластины, изготовленной из ниобата лития (LiNbO₃), прозрачной в терагерцовом диапазоне, и трапецевидную оптическую призму, размещённую своим большим основанием на указанной пластине для ввода в неё терагецового излучения, обеспечивающими детектирование терагерцового излучения путём изменения направления вектора поляризации оптического фемтосекундного импульса под действием электрического поля детектируемого терагерцового излучения за счет эффекта Поккельса при обеспечении условий Черенковского синхронизма, задающего взаимное соответствие скоростных и пространственных характеристик импульса терагерцового излучения и указанного оптического фемтосекундного импульса (см. статью на англ. яз. M. Tani and other «Efficient electrooptic sampling detection of terahertz radiation via Cherenkov phase matching». OPTICS EXPRESS, 2011, v. 19, №21, p. 19901-19906).As a prototype, the working unit of the pulsed terahertz radiation detector used in the EO gating scheme and containing the EO crystal, made in the form of a plate made of lithium niobate (LiNbO ₃ ), transparent in the terahertz range, and a trapezoidal optical prism placed with its large base on the indicated plate for introducing terahertz radiation into it, providing detection of terahertz radiation by changing the direction of the polarization vector of the optical femtosecond pulse under the action of the electric field of the detected terahertz radiation due to the Pockels effect while providing the conditions of Cherenkov synchronism, which sets the mutual correspondence of the velocity and spatial characteristics of the terahertz radiation pulse and the specified optical femtosecond pulse (see article in English by M. Tani and other "Efficient electrooptic sampling detection of terahertz radiation via Cherenkov phase matching". OPTICS EXPRESS, 2 011, v. 19, no. 21, p. 19901-19906).

В прототипе зондирующий оптический фемтосекундный импульс фокусируется на пластину, выполненную из кристалла LiNbO₃. Поляризация зондирующего фемтосекундного оптического импульса направленна под углом 45° к оси [001] кристалла LiNbO₃. Импульс терагерцового излучения поляризован вдоль оси [001]. Для снижения влияния поглощения терагерцового излучения в LiNbO₃, оптический зондирующий импульс направлен параллельно к кремниевой призме и находится как можно ближе к границе призмы и кристалла.In the prototype, the probing optical femtosecond pulse is focused on a plate made of a LiNbO ₃ crystal. The polarization of the probing femtosecond optical pulse is directed at an angle of 45° to the [001] axis of the LiNbO ₃ crystal. The terahertz radiation pulse is polarized along the [001] axis. To reduce the influence of the absorption of terahertz radiation in LiNbO ₃ , the optical probe pulse is directed parallel to the silicon prism and is located as close as possible to the boundary of the prism and the crystal.

В прототипе за счёт использования черенковской схемы ЭО стробирования повышено (до нескольких гигагерц) спектральное разрешение измеряемого спектра импульса терагерцового излучения при использовании источника фемтосекундных оптических импульсов с длиной волны 800 нм.In the prototype, due to the use of the Cherenkov EO gating scheme, the spectral resolution of the measured spectrum of the terahertz radiation pulse is increased (up to several gigahertz) when using a source of femtosecond optical pulses with a wavelength of 800 nm.

Однако недостатком прототипа является то, что ось [001] кристалла LiNbO₃ ориентирована перпендикулярно к направлению распространения зондирующего оптического фемтосекундного импульса и импульса терагерцового излучения. В такой конфигурации на поляризацию зондирующего оптического фемтосекундного импульса будет оказываться паразитное влияние собственного двулучепреломления материала LiNbO₃. В результате распространения зондирующего оптического фемтосекундного импульса с длительностью 100 фс через кристалл LiNbO₃ толщиной 0.3 мм взаимноперпендикулярно поляризованные компоненты зондирующего оптического фемтосекундного импульса будут разделены в пространстве, что не позволит произвести эллипсометрические измерения. Компенсация эффекта внутреннего двойного лучепреломления потребует применения дополнительных оптических элементов (см. статью на англ. яз P. Y. Han and other «Use of the organic crystal DAST for terahertz beam applications»/ OPTICS LETTERS, 2000, v. 25, №9, p. 675-677), что усложняет схему детектора импульсного терагерцового излучения с использованием прототипа. However, the disadvantage of the prototype is that the [001] axis of the LiNbO ₃ crystal is oriented perpendicular to the direction of propagation of the probing optical femtosecond pulse and the terahertz radiation pulse. In such a configuration, the polarization of a probing femtosecond optical pulse will be parasiticly influenced by the intrinsic birefringence of the LiNbO ₃ material. As a result of the propagation of a probing optical femtosecond pulse with a duration of 100 fs through a LiNbO ₃ crystal 0.3 mm thick, the mutually perpendicularly polarized components of the probing optical femtosecond pulse will be separated in space, which will not allow ellipsometric measurements to be made. Compensation for the effect of internal birefringence will require the use of additional optical elements (see the article in English PY Han and other "Use of the organic crystal DAST for terahertz beam applications" / OPTICS LETTERS, 2000, v. 25, No. 9, p. 675 -677), which complicates the scheme of the detector of pulsed terahertz radiation using the prototype.

Кроме того, в связи с тем, что скорость компонент импульса терагерцового излучения с разной частотой в кристалле LiNbO₃ практически не зависит от частоты, прототип характеризуется значительным резервом расширения допустимого диапазона частот терагерцового излучения для детектирования детектором импульсного терагерцового излучения. А также, слабая оптическая дисперсия материала LiNbO₃ позволяет использовать кремниевую призму с тем же углом среза в схемах с Ti:sapphire (λ ≈ 800 нм), Yb-легированными (λ ≈ 1060 нм) и волоконными (λ ≈ 1560 нм) лазерами, что было показано в статье на англ. яз. авторов J. A. Fülöp and other «Design of high-energy terahertz sources based on optical rectification». OPTICS EXPRESS, 2010, v. 18, № 12, p. 12311-12327, поэтому возникает резерв совершенствования схемы детектирования, на основе ЭО кристалла LiNbO₃, совместно с источниками зондирующих оптических фемтосекундных импульсов с различными длинами волн.In addition, due to the fact that the speed of the components of the pulse of terahertz radiation with different frequencies in the LiNbO ₃ crystal is practically independent of frequency, the prototype is characterized by a significant reserve for expanding the allowable frequency range of terahertz radiation for detection by a detector of pulsed terahertz radiation. And also, the weak optical dispersion of the LiNbO ₃ material allows the use of a silicon prism with the same cut angle in schemes with Ti:sapphire (λ ≈ 800 nm), Yb-doped (λ ≈ 1060 nm) and fiber (λ ≈ 1560 nm) lasers, which was shown in the article in English. lang. by JA Fülöp and other "Design of high-energy terahertz sources based on optical rectification". OPTICS EXPRESS, 2010, v. 18, no. 12, p. 12311-12327, therefore, there is a reserve for improving the detection scheme, based on the EO of the LiNbO ₃ crystal, together with sources of probing optical femtosecond pulses with different wavelengths.

Наконец, следует отметить, что прототип используется в схеме детектирования совместно с источником зондирующих оптических фемтосекундных импульсов, представляющим собой Ti:sapphire лазер с длиной волны 800 нм. Однако для создания компактных и недорогих терагерцовых спектрометров предпочтительнее в качестве источников зондирующих оптических фемтосекундных импульсов использовать волоконные лазеры с длиной волны 1500 нм.Finally, it should be noted that the prototype is used in the detection scheme together with a source of probing optical femtosecond pulses, which is a Ti:sapphire laser with a wavelength of 800 nm. However, to create compact and inexpensive terahertz spectrometers, it is preferable to use fiber lasers with a wavelength of 1500 nm as sources of probing optical femtosecond pulses.

Техническим результатом, который достигается при осуществлении предлагаемого изобретения, являются создание рабочего узла детектора импульсного терагерцового излучения, повышающего рабочие характеристики указанного детектора, обеспечивающие его высокую работоспособность при одновременном упрощении его оптической схемы в результате эффективного подавления негативных эффектов внутреннего двулучепреломления в ЭО кристалле LiNbO₃ без необходимости использования для указанного подавления дополнительной оптики, которая используется в детекторе с рабочим узлом - прототипом, при сохранении высокого спектрального разрешения и обеспечении приемлемой чувствительности детектора импульсного терагерцового излучения, а также расширение диапазона допустимых к использованию источников оптического излучения.The technical result achieved in the implementation of the proposed invention is the creation of a working node of the detector of pulsed terahertz radiation, which increases the performance of the specified detector, ensuring its high performance while simplifying its optical design as a result of effective suppression of the negative effects of internal birefringence in the LiNbO ₃ EO crystal without the need the use of additional optics for said suppression, which is used in the detector with the working unit - prototype, while maintaining high spectral resolution and ensuring acceptable sensitivity of the pulsed terahertz radiation detector, as well as expanding the range of optical radiation sources acceptable for use.

Для достижения указанного технического результата в рабочем узле детектора импульсного терагерцового излучения, содержащем ЭО кристалл, выполненный в виде пластины, изготовленной из LiNbO₃, прозрачной в терагерцовом диапазоне, и трапецевидную оптическую призму, размещённую своим большим основанием на указанной пластине для ввода в неё терагецового излучения, обеспечивающими детектирование терагерцового излучения путём изменения направления вектора поляризации оптического фемтосекундного импульса под действием электрического поля детектируемого импульса терагерцового излучения за счет эффекта Поккельса при обеспечении условий Черенковского синхронизма, задающего взаимное соответствие скоростных и пространственных характеристик импульса терагерцового излучения и указанного оптического фемтосекундного импульса, предлагаемый рабочий узел содержит упомянутые ЭО кристалл и оптическую призму, обеспечивающие детектирование импульса терагерцового излучения путём изменения направления вектора поляризации создаваемого лазером с длиной волны 800-1550 нм оптического фемтосекундного импульса длительностью 70-100 фс под действием электрического поля детектируемого импульса терагерцового излучения, причём пластина упомянутого кристалла выполнена с условием ориентации её кристаллографической оси [001] перпендикулярно вектору поляризации оптического фемтосекундного импульса, а оси [100] параллельно вектору поляризации электрического поля детектируемого импульса терагерцового излучения при одновременной ориентации последней оси параллельно или перпендикулярно вектору поляризации указанного оптического фемтосекундного импульса.To achieve the specified technical result in the working unit of the detector of pulsed terahertz radiation, containing an EO crystal made in the form of a plate made of LiNbO ₃ , transparent in the terahertz range, and a trapezoidal optical prism placed with its large base on the specified plate to introduce terahertz radiation into it , providing the detection of terahertz radiation by changing the direction of the polarization vector of the optical femtosecond pulse under the action of the electric field of the detected pulse of terahertz radiation due to the Pockels effect while providing the conditions of Cherenkov synchronism, which sets the mutual correspondence of the velocity and spatial characteristics of the terahertz radiation pulse and the specified optical femtosecond pulse, the proposed working unit contains the mentioned EO crystal and optical prism, which provide detection of a terahertz radiation pulse by changing the direction of the vector polarization of an optical femtosecond pulse with a duration of 70–100 fs created by a laser with a wavelength of 800-1550 nm under the action of an electric field of a detected pulse of terahertz radiation, and the plate of the mentioned crystal is made with the condition that its crystallographic axis [001] is oriented perpendicular to the polarization vector of the optical femtosecond pulse, and the axis [100] parallel to the polarization vector of the electric field of the detected terahertz radiation pulse with the simultaneous orientation of the last axis parallel or perpendicular to the polarization vector of the specified optical femtosecond pulse.

В частном случае выполнения предлагаемого рабочего узла детектора импульсного терагерцового излучения трапецивидная оптическая призма может быть выполнена из высокоомного кремния с углом 40°30' между её гранями, через которые осуществляется ввод детектируемого импульса терагерцового излучения в указанную в п. 1 пластину, изготовленную из LiNbO₃.In a particular case of the proposed working unit of the detector of pulsed terahertz radiation, the trapezoidal optical prism can be made of high-resistance silicon with an angle of 40°30' between its faces, through which the detected terahertz radiation pulse is introduced into the plate, specified in paragraph 1, made of LiNbO ₃ .

Указанный угол рассчитан из условий Черенковского синхронизма между импульсом терагерцового излучения и оптическим фемтосекундным импульсом в кристалле LiNbO₃.This angle is calculated from the conditions of Cherenkov matching between a terahertz radiation pulse and an optical femtosecond pulse in a LiNbO ₃ crystal.

На фиг. 1 представлено схематическое изображение предлагаемого рабочего узла детектора импульсного терагерцового излучения (с вынесенными из кристалла LiNbO₃ осями [001] и [100]); на фиг. 2 - вид сбоку рабочего узла детектора импульсного терагерцового излучения, на котором изображён ход импульса терагерцового излучения и зондирующего оптического фемтосекундного импульсов в пластине из LiNbO₃ и кремниевой призме; на фиг. 3 и 4 - построены спектральные плотности электрического поля импульса терагерцового излучения, полученные в примерах 1 и 2 с помощью предлагаемого рабочего узла детектора импульсного терагерцового излучения при использовании волоконного Er³⁺ лазера с длиной волны 1550 нм (пример 1) и при использовании Ti:sapphire лазера с длиной волны 800 нм (пример 2).In FIG. 1 shows a schematic representation of the proposed working unit of the detector of pulsed terahertz radiation (with the [001] and [100] axes removed from the LiNbO ₃ crystal); in fig. 2 - side view of the working unit of the detector of pulsed terahertz radiation, which shows the course of the pulse of terahertz radiation and probing optical femtosecond pulses in a plate of LiNbO ₃ and a silicon prism; in fig. 3 and 4 - spectral densities of the electric field of the terahertz radiation pulse obtained in examples 1 and 2 using the proposed working unit of the pulsed terahertz radiation detector using an Er ³⁺ fiber laser with a wavelength of 1550 nm (example 1) and using Ti:sapphire laser with a wavelength of 800 nm (example 2).

Предлагаемый рабочий узел детектора импульсного терагерцового излучения (см. фиг. 1) состоит из ЭО кристалла LiNbO₃ в форме пластины 1 и выполняющей роль оптического соединительного элемента трапециевидной оптической призмы 2 из кремния, где местом соединения пластины 1 и призмы 2 является грань A1D1C1B1; входной гранью трапециевидной оптической призмы является грань A1D1D2A2. Соединение призмы и пластины (грань A1B1C1D1) происходит при помощи глубокого оптического контакта. Грани AA1D1D, BB1C1C, A1D1D2A2 оптически полированы.The proposed working unit of the detector of pulsed terahertz radiation (see Fig. 1) consists of an EO crystal LiNbO ₃ in the form of a plate 1 and a trapezoidal optical prism 2 made of silicon, which acts as an optical connecting element, where the junction of the plate 1 and prism 2 is the face A1D1C1B1; the input face of the trapezoidal optical prism is face A1D1D2A2. The connection of the prism and the plate (face A1B1C1D1) occurs with the help of deep optical contact. Facets AA1D1D, BB1C1C, A1D1D2A2 are optically polished.

Пластина 1 выполнена из кристалла LiNbO₃, кристаллографическая ось [001] которого ориентирована вдоль границы раздела пластины 1 и призмы 2 и которая ориентирована перпендикулярно направлению поляризации зондирующего оптического фемтосекундного импульса, а кристаллографическая ось [100] которого ориентирована параллельно вектору поляризации детектируемого импульса терагерцового излучения и параллельно вектору поляризации указанного оптического фемтосекундного импульса (данная ориентация использована в приведённых ниже примерах проверки 1 и 2).Plate 1 is made of a LiNbO ₃ crystal, the crystallographic axis [001] of which is oriented along the interface between plate 1 and prism 2 and which is oriented perpendicular to the direction of polarization of the probing optical femtosecond pulse, and the crystallographic axis [100] of which is oriented parallel to the polarization vector of the detected terahertz radiation pulse and parallel to the polarization vector of the specified optical femtosecond pulse (this orientation is used in test examples 1 and 2 below).

Оптическая призма 2 выполнена таким образом, что острый угол призмы α = 40°30' находится между гранью A1D1C1B1 призмы 2, и её внешней гранью A1D1D2A2.The optical prism 2 is made in such a way that the acute angle of the prism α = 40°30' is between the face A1D1C1B1 of the prism 2 and its outer face A1D1D2A2.

Предлагаемый рабочий узел детектора импульсного терагерцового излучения работает следующим образом:The proposed working unit of the detector of pulsed terahertz radiation operates as follows:

Зондирующий оптический фемтосекундный импульс фокусируется на входную торцевую грань AA1D1D пластины 1, где распространяется вдоль оптической оси. Импульс терагерцового излучения фокусируется в пластину 1, проходя сквозь грани A1D1D2A2 и A1B1C1D1 призмы 2. Рабочий узел устанавливается таким образом, чтобы падение зондирующего оптического фемтосекундного импульса на грань AA1D1D пластины 1 и импульса терагерцового излучения на грань A1D1D2A2 призмы 2 было нормальным. Угол α = 40°30' между примыкающей к пластине 1 гранью A1D1C1B1 и внешней гранью A1D1D2A2 подобран так, чтоб при нормальном падении импульса терагерцового излучения на грань A1D1D2A2 призмы 2 обеспечить распространение импульса терагерцового импульса под углом Черенкова относительно оптического фемтосекундного импульса в кристалле LiNbO₃.The probing optical femtosecond pulse is focused on the input end face AA1D1D of plate 1, where it propagates along the optical axis. The terahertz radiation pulse is focused into plate 1, passing through the A1D1D2A2 and A1B1C1D1 faces of prism 2. The working unit is installed in such a way that the incidence of the probing femtosecond optical pulse on the AA1D1D face of plate 1 and the terahertz radiation pulse on the A1D1D2A2 face of prism 2 is normal. The angle α = 40°30' between the A1D1C1B1 face adjacent to the plate 1 and the outer face A1D1D2A2 is chosen so that, under normal incidence of the terahertz radiation pulse on the face A1D1D2A2 of prism 2, the terahertz pulse propagates at the Cherenkov angle relative to the optical femtosecond pulse in the LiNbO ₃ crystal.

Поляризации электрических полей оптического фемтосекундного импульса и импульса терагерцового излучения ортогональны оптической оси кристалла LiNbO₃, что позволяет данным импульсам распространяться внутри пластины 1 как обыкновенным волнам и не испытывать паразитного влияния собственного двулучепреломления LiNbO₃. Под действием электрического поля терагерцового излучения, за счёт эффекта Поккельса, происходит изменение поляризации оптического фемтосекундного импульса.The polarizations of the electric fields of the optical femtosecond pulse and the terahertz radiation pulse are orthogonal to the optical axis of the LiNbO ₃ crystal, which allows these pulses to propagate inside the plate 1 as ordinary waves and not experience the parasitic effect of LiNbO ₃ intrinsic birefringence. Under the influence of the electric field of terahertz radiation, due to the Pockels effect, the polarization of the optical femtosecond pulse changes.

Вместе с тем, пластина 1 из кристалла LiNbO₃, изменяющая поляризацию зондирующего оптического фемтосекундного импульса под действием электрического поля импульса терагерцового излучения, имеет следующую ориентацию кристаллографической оси [001]: данная ось ориентирована перпендикулярно вектору поляризации оптического фемтосекундного импульса, что позволяет взаимноперпендикулярно поляризованным компонентам оптического фемтосекундного импульса распространяться с одинаковыми скоростями и не испытывать паразитного влияния собственного двулучепреломления LiNbO₃. При этом ориентируя кристаллографическую ось [100] пластины 1 параллельно вектору поляризации детектируемого терагерцового излучения и одновременно параллельно вектору поляризации оптического фемтосекундного импульса можно добиться максимальной чувствительности детектора импульсного терагерцового излучения путем максимизации измеряемых изменений поляризации зондирующего оптического фемтосекундного импульса.At the same time, plate 1 of the LiNbO ₃ crystal, which changes the polarization of the probing optical femtosecond pulse under the action of the electric field of the terahertz radiation pulse, has the following orientation of the crystallographic axis [001]: this axis is oriented perpendicular to the polarization vector of the optical femtosecond pulse, which allows mutually perpendicularly polarized components of the optical femtosecond pulse propagate at the same speed and not experience the parasitic influence of the intrinsic birefringence of LiNbO ₃ . In this case, by orienting the crystallographic axis [100] of plate 1 parallel to the polarization vector of the detected terahertz radiation and simultaneously parallel to the polarization vector of the optical femtosecond pulse, it is possible to achieve the maximum sensitivity of the detector of pulsed terahertz radiation by maximizing the measured changes in the polarization of the probing optical femtosecond pulse.

Обоснование эффективной работоспособности предлагаемого рабочего узла детектора импульсного терагерцового излучения.Justification of the effective performance of the proposed working unit of the detector of pulsed terahertz radiation.

Упомянутая кристаллографическая ось [001] кристалла LiNbO₃ является также оптической осью данного кристалла (см. книгу на русск. яз. авторов Ярив А., Юх П. «Оптические волны в кристаллах», М. «Мир», 1987, с. 257), следовательно взаимноперпендикулярно поляризованные компоненты оптического фемтосекундного импульса будут распространятся с одинаковыми скоростями, что не будет приводить к пространственному разделению указанных компонент оптического фемтосекундного импульса. Таким образом, удаётся избежать нежелательного влияния собственного двулучепреломления LiNbO₃. Однако при данной ориентации кристаллографической оси величина нелинейной поляризации будет пропорциональна компоненте тензора нелинейной восприимчивости d_22, которая меньше компоненты тензора нелинейной восприимчивости d₃₃, которой пропорциональна величина нелинейной поляризации в схеме, используемой в прототипе. Что может привести к снижению чувствительности детектора импульсного терагерцового излучения.The mentioned crystallographic axis [001] of the LiNbO ₃ crystal is also the optical axis of this crystal (see the book in Russian. Yariv A., Yukh P. "Optical waves in crystals", M. "Mir", 1987, p. 257 ), therefore, mutually perpendicularly polarized components of the optical femtosecond pulse will propagate at the same speed, which will not lead to spatial separation of these components of the optical femtosecond pulse. Thus, it is possible to avoid the undesirable influence of the intrinsic birefringence of LiNbO ₃ . However, with a given orientation of the crystallographic axis, the magnitude of the nonlinear polarization will be proportional to the component of the nonlinear susceptibility tensor d _22, which is less than the component of the nonlinear susceptibility tensor d ₃₃ , which is proportional to the magnitude of the nonlinear polarization in the circuit used in the prototype. This can lead to a decrease in the sensitivity of the detector of pulsed terahertz radiation.

Для получения приемлемой чувствительности детектора импульсного терагерцового излучения кристаллографическая ось [100] была ориентирована параллельно вектору поляризации импульса терагерцового излучения и параллельно или перпендикулярно вектору поляризации оптического фемтосекундного импульса. Данное взаиморасположение кристаллографической оси и векторов поляризаций импульса терагерцового излучения и оптического фемтосекундного импульса следует из условия максимизации значения нелинейной поляризации при условии, что кристаллографическая ось [001] кристалла LiNbO₃ ориентирована перпендикулярно вектору поляризации оптического фемтосекундного импульса.To obtain an acceptable sensitivity of the detector of pulsed terahertz radiation, the crystallographic axis [100] was oriented parallel to the polarization vector of the terahertz radiation pulse and parallel or perpendicular to the polarization vector of the optical femtosecond pulse. This mutual arrangement of the crystallographic axis and the polarization vectors of the terahertz radiation pulse and the optical femtosecond pulse follows from the condition of maximizing the value of the nonlinear polarization, provided that the [001] crystallographic axis of the LiNbO ₃ crystal is oriented perpendicular to the polarization vector of the optical femtosecond pulse.

При этом рассмотрение вектора нелинейной поляризации при различных поляризациях импульса терагерцового излучения охватывает случаи:In this case, the consideration of the nonlinear polarization vector for different polarizations of the terahertz radiation pulse covers the cases:

а) если вектор поляризации импульса терагерцового излучения ортогонален кристаллографической оси [100], тогда нелинейная поляризация принимает вид:a) if the polarization vector of the terahertz radiation pulse is orthogonal to the crystallographic axis [100], then the nonlinear polarization takes the form:

где d₂₂ - компонент тензора нелинейной восприимчивости,where d ₂₂ is the component of the nonlinear susceptibility tensor,

E_opt - напряженность электрического поля оптического фемтосекундного импульса,E _opt is the electric field strength of the optical femtosecond pulse,

E_THz - напряженность электрического поля импульса терагерцового излучения,E _THz - electric field strength of the terahertz radiation pulse,

β - угол между векторами поляризаций оптического фемтосекундного импульса и импульса терагерцового излучения,β is the angle between the polarization vectors of the optical femtosecond pulse and the terahertz radiation pulse,

α_ch - черенковский угол.α _ch - Cherenkov angle.

б) Если вектор поляризации импульса терагерцового излучения параллелен кристаллографической оси [100], то нелинейная поляризация принимает вид:b) If the polarization vector of the terahertz radiation pulse is parallel to the crystallographic axis [100], then the nonlinear polarization takes the form:

Очевидно, что в случае, когда вектор поляризации импульса терагерцового излучения параллелен кристаллографической оси [100], а угол β равен либо 0, либо π/2 т.е. вектор поляризации оптического фемтосекундного импульса параллелен или перпендикулярен кристаллографической оси [100], то значение нелинейной поляризации будет максимальным, таким образом, максимальными будут измеряемые поляризационные изменения в зондирующем оптическом фемтосекундном импульсе, и как следствие, чувствительность детектора импульсного терагерцового излучения.Obviously, in the case when the polarization vector of the terahertz radiation pulse is parallel to the crystallographic axis [100], and the angle β is either 0 or π/2, i.e., If the polarization vector of an optical femtosecond pulse is parallel or perpendicular to the [100] crystallographic axis, then the value of the nonlinear polarization will be maximum; thus, the measured polarization changes in the probing optical femtosecond pulse will be maximum, and, as a consequence, the sensitivity of the detector of pulsed terahertz radiation.

Работоспособность предлагаемого рабочего узла детектора импульсного терагерцового излучения при использовании источников оптических фемтосекундных импульсов с длиной волны в диапазоне 800-1550 нм, обеспечивающего подавление негативных эффектов внутреннего двулучепреломления в ЭО кристалле LiNbO₃ при сохранении высокого спектрального разрешения, приемлемой чувствительности, и использовании стандартной схемы измерения поляризационных изменений зондирующего оптического фемтосекундного импульса, включающей четвертьволновую пластинку, призму Волластона и балансный фотодетектор, подтверждена экспериментально примерами 1, 2.The performance of the proposed working unit of the detector of pulsed terahertz radiation when using sources of optical femtosecond pulses with a wavelength in the range of 800-1550 nm, providing suppression of the negative effects of internal birefringence in the LiNbO ₃ EO crystal while maintaining high spectral resolution, acceptable sensitivity, and using a standard scheme for measuring polarization changes in the probing optical femtosecond pulse, including a quarter-wave plate, a Wollaston prism and a balanced photodetector, was experimentally confirmed by examples 1, 2.

Пример 1.Example 1

Линейно поляризованный оптический фемтосекундный импульс от волоконного Er3+ лазера с центральной длиной волны 1550 нм и длительностью 70 фс фокусировался на пластину 1, выполненную из кристалла LiNbO₃ с размерами 10X10X2 мм. Импульс терагерцового излучения фокусировался в пластину 1, в которую попадал, проходя сквозь призму 2 из высокоомного кремния со следующими геометрическими размерами грань BB1 - 5.4 мм, грань B1C1 - 10 мм, грань A1B1 - 10 мм, грань A2B2 - 4 мм. Генерация импульса терагерцового излучения происходила в фотопроводящей антенне, накачанной импульсом от того же источника оптического излучения, что создал оптический фемтосекундный импульс. Поляризации оптического фемтосекундного импульса и импульса терагерцового излучения были параллельны кристаллографической оси [100] кристалла. Изменение направления вектора поляризации оптического фемтосекундного импульса фиксировалось с помощью стандартной эллипсометрической схемы, состоящей из четвертьволновой пластины, призмы Волластона и балансного фотоприёмника. Работоспособность предлагаемого узла детектора импульсного терагерцового излучения подтверждает экспериментальный спектр терагерцового излучения, построенный на фиг. 3.A linearly polarized optical femtosecond pulse from an Er3+ fiber laser with a central wavelength of 1550 nm and a duration of 70 fs was focused onto plate 1 made of a LiNbO ₃ crystal with dimensions of 10X10X2 mm. The terahertz radiation pulse was focused into plate 1, into which it fell, passing through a prism 2 made of high-resistance silicon with the following geometric dimensions: face BB1 - 5.4 mm, face B1C1 - 10 mm, face A1B1 - 10 mm, face A2B2 - 4 mm. A terahertz radiation pulse was generated in a photoconductive antenna pumped by a pulse from the same source of optical radiation that created the optical femtosecond pulse. The polarizations of the optical femtosecond pulse and the terahertz radiation pulse were parallel to the [100] crystallographic axis of the crystal. The change in the direction of the polarization vector of an optical femtosecond pulse was recorded using a standard ellipsometric scheme consisting of a quarter-wave plate, a Wollaston prism, and a balanced photodetector. The operability of the proposed node of the detector of pulsed terahertz radiation is confirmed by the experimental spectrum of terahertz radiation, constructed in Fig. 3.

Пример 2.Example 2

Линейно поляризованный оптический фемтосекундный импульс от твердотельного Ti:sapphire лазера с центральной длиной волны 800 нм и длительностью 100 фс фокусируется на пластину 1, выполненную из кристалла LiNbO₃ с размерами 10X10X2 мм. Терагерцовый импульс фокусировался в пластину 1, в которую попадал, проходя сквозь призму 2 из высокоомного кремния со следующими геометрическими размерами BB1 - 5.4 мм, B1C1 - 10 мм, A1B1 - 10 мм, A2B2 - 4 мм. Генерация импульса терагерцового излучения происходила в кристалле ZnTe, накачанного импульсом от того же источника оптического излучения, что создал оптический фемтосекундный импульс. Поляризации оптического фемтосекундного импульса и импульса терагерцового излучения параллельны кристаллографической оси [100]. Изменение направления вектора поляризации оптического фемтосекундного импульса фиксировалось с помощью стандартной эллипсометрической схемы, состоящей из четвертьволновой пластины, призмы Волластона и балансного фотоприёмника. Работоспособность предлагаемого узла детектора импульсного терагерцового излучения подтверждает экспериментальный спектр терагерцового излучения, построенный на фиг. 4.A linearly polarized optical femtosecond pulse from a solid-state Ti:sapphire laser with a central wavelength of 800 nm and a duration of 100 fs is focused on a plate 1 made of a LiNbO ₃ crystal with dimensions of 10X10X2 mm. The terahertz pulse was focused into plate 1, which it entered by passing through a prism 2 made of high-resistance silicon with the following geometric dimensions: BB1 - 5.4 mm, B1C1 - 10 mm, A1B1 - 10 mm, A2B2 - 4 mm. A terahertz radiation pulse was generated in a ZnTe crystal pumped by a pulse from the same source of optical radiation that created the optical femtosecond pulse. The polarizations of an optical femtosecond pulse and a terahertz radiation pulse are parallel to the crystallographic axis [100]. The change in the direction of the polarization vector of an optical femtosecond pulse was recorded using a standard ellipsometric scheme consisting of a quarter-wave plate, a Wollaston prism, and a balanced photodetector. The operability of the proposed node of the detector of pulsed terahertz radiation is confirmed by the experimental spectrum of terahertz radiation, constructed in Fig. four.

Подавление негативных эффектов внутреннего двулучепреломления в кристалле-измерителе LiNbO₃ достигается в отсутствии дополнительной оптики в детекторе импульсного терагерцового излучения для подавления эффектов внутреннего двулучепреломления и получено при соблюдении предлагаемых ориентаций кристаллографических осей [001] и [100] и использовании лазера с длиной волны 0,8-1,55 мкм, вырабатывающего оптический фемтосекундный импульс длительностью 70-100 фс. Причём сравнив полученные спектры, построенные на фиг. 3 и фиг. 4, со спектром полученным при использовании прототипа (см. фиг. 2 (b) в статье на англ. яз. M. Tani and other «Efficient electrooptic sampling detection of terahertz radiation via Cherenkov phase matching». OPTICS EXPRESS, 2011, v. 19, №21, p. 19901-19906) можно убедиться в сохранении высокого спектрального разрешения.Suppression of the negative effects of internal birefringence in the LiNbO ₃ measuring crystal is achieved in the absence of additional optics in the detector of pulsed terahertz radiation to suppress the effects of internal birefringence and was obtained by observing the proposed orientations of the crystallographic axes [001] and [100] and using a laser with a wavelength of 0.8 -1.55 µm, which produces an optical femtosecond pulse with a duration of 70-100 fs. Moreover, by comparing the obtained spectra plotted in Fig. 3 and FIG. 4, with the spectrum obtained using the prototype (see Fig. 2 (b) in the article in English by M. Tani and other "Efficient electrooptic sampling detection of terahertz radiation via Cherenkov phase matching". OPTICS EXPRESS, 2011, v. 19, No. 21, pp. 19901-19906) can be seen in maintaining a high spectral resolution.

Примеры 1 и 2 подтверждают также в сравнении с прототипом полезное расширение диапазона допустимых к использованию источников оптического излучения, так как в прототипе в качестве источника использовался только Ti:sapphire лазер с длиной волны 800 нм, характеризующийся более низкими потребительскими свойствами.Examples 1 and 2 also confirm, in comparison with the prototype, a useful expansion of the range of optical radiation sources acceptable for use, since in the prototype only a Ti:sapphire laser with a wavelength of 800 nm, which is characterized by lower consumer properties, was used as a source.

Claims

1. The working unit of the detector of pulsed terahertz radiation, containing an electro-optical crystal made in the form of a plate made of lithium niobate and transparent in the terahertz range, and a trapezoidal optical prism placed with its large base on the specified plate for introducing terahertz radiation into it, ensuring the detection of terahertz radiation radiation by changing the direction of the polarization vector of the optical femtosecond pulse under the action of the electric field of the detected pulse of terahertz radiation due to the Pockels effect while providing the conditions of Cherenkov synchronism, which sets the mutual correspondence of the speed and spatial characteristics of the terahertz radiation pulse and the specified optical femtosecond pulse, characterized in that the proposed working unit contains the mentioned electro-optical crystal and optical prism, which provide detection of a terahertz radiation pulse by changing the direction ionization of the polarization vector of an optical femtosecond pulse with a duration of 70-100 fs created by a laser with a wavelength of 800-1550 nm under the action of the electric field of the detected pulse of terahertz radiation, and the plate of the mentioned crystal is made with the condition that its crystallographic axis [001] is oriented perpendicular to the polarization vector of the optical femtosecond pulse, and the [100] crystallographic axis is parallel to the polarization vector of the electric field of the detected terahertz radiation pulse, while the last axis is simultaneously oriented parallel or perpendicular to the polarization vector of the indicated optical femtosecond pulse.

2. The working unit according to claim 1, characterized in that the trapezoidal optical prism is made of high-resistance silicon with an angle of 40 ^about 30' between its faces, through which the detected terahertz radiation is introduced into the plate specified in claim 1, made of lithium niobate.