ИСТОЧНИК УЗКОПОЛОСНОГО ТЕРАГЕРЦОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, ВЫРАБАТЫВАЕМОГО В МОНОКРИСТАЛЛЕ НИОБАТА ЛИТИЯ В НАПРАВЛЕНИИ, ОБРАТНОМ РАСПРОСТРАНЕНИЮ ВОЗБУЖДАЮЩИХ УЛЬТРАКОРОТКИХ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ

Полезная модель относится к источникам узкополосного терагерцового излучения и может быть использована для высокочувствительного оборудования спектроскопии, микроскопии и имиджинга.
Одна из самых распространенных техник генерации узкополосного терагерцового излучения, имеющая наиболее близкое отношение к заявляемому источнику терагерцового излучения, основана на оптическом выпрямлении фемтосекундных лазерных импульсов в электрооптических кристаллах.
В данной технике электрооптический кристалл облучают фемтосекундными лазерными импульсами, которые при распространении в указанном кристалле наводят в нем нелинейную поляризацию, которая излучает терагерцовое излучение (см. работу на английском языке автора G. Kh. Kitaeva «Terahertz generation by means of optical lasers» - LASER PHYS. LETT. 2008, v. 5, p. 559).
Источники, основанные на данной технике, состоят из фемтосекундного лазера, излучающего лазерные импульсы, оптико-терагерцового преобразователя на основе электрооптического кристалла и элемента для разделения терагерцового и лазерного излучения и обладают следующими характеристиками: высокой частотой следования терагерцовых импульсов (обычно от десятков кГц до сотен МГц), что позволяет рассматривать динамику быстропротекающих процессов, узкой спектральной линией излучения, что позволяет исследовать спектральные свойства веществ на заданной частоте без влияния соседних частот и достаточно высокие энергетические характеристики излучения.
3
2
В этих источниках в качестве оптико-терагерцового преобразователя используется наиболее распространенный кристалл ниобата лития (LiNbO), который входит в ферроэлектрическую группу. Указанный кристалл обладает высоким порогом оптического разрушения ~1 ТВт/см и большим нелинейным коэффициентом. Так нелинейный коэффициент кристалла ниобата лития равен 168 пм/В, что в три раза превосходит нелинейный коэффициент кристалла теллурида цинка.
В этой группе источников оптико-терагерцовый преобразователь выполнен в виде периодической структуры из тонких монокристаллических пластин ниобата лития, у которых направление кристаллографической оси [001] периодически меняется. Так в работе на англ. яз. авторов G. Xu et al. «Efficient generation of backward terahertz pulses from multiperiod periodically poled lithium niobate» - OPTICS LETT. 2009, v. 34, p. 995 в периодически поляризованной структуре из пластин монокристалла ниобата лития было сгенерировано терагерцовое излучение на рабочей частоте 0,37 ТГц с шириной спектральной линии 18,1 ГГц. Поляризация лазерных импульсов была параллельна кристаллографической оси [001] монокристаллических пластин ниобата лития.
Недостатком источников является малая входная апертура, трудоемкий процесс изготовления, низкие прочностные показатели и относительно (предлагаемой в настоящем описании полезной модели) широкая спектральная линия излучения.
В связи с тем, что физический механизм, обеспечивающий работоспособность предлагаемого источника узкополосного терагерцового излучения, основан на оптическом выпрямлении за счет нелинейного смешения спектральных компонент обыкновенной и необыкновенной волн, образованных после преломления возбуждающего лазерного луча на входной поверхности пластины монокристалла ниобата лития в условиях образования в этой пластине наведенной нелинейной поляризации с переменной полярностью, и выходит за рамки принципа действия источников терагерцового излучения, указанных в приведенной выше группе аналогов. Т.к. сравнение возможностей терагерцового излучения в них и в заявляемом источнике не корректно из-за базовых различий методов генерации узкополосного терагецового излучения (особенности физического механизма генерации узкополосного излучения с помощью предлагаемого источника см. ниже) в настоящем описании полезной модели выбрано раскрытие сущности предлагаемого источника терагерцового излучения в формуле полезной модели без прототипа.
-5
Технический результат от использования предлагаемой полезной модели - разработка источника узкополосного терагерцового излучения, вырабатываемого в монокристалле ниобата лития в направлении, обратном распространению возбуждающих ультракоротких лазерных импульсов, в интервале технологически допустимых толщин указанного монокристалла, с эффективностью оптико-терагерцового преобразования (не менее 10), соответствующей оптимальным требованиям соотношения сигнал/шум, при суженной спектральной ширине линии излучения и повышенной технологичности изготовления указанного источника за счет предлагаемых структуры и состава этого источника.
Кроме того, предлагаемый источник расширяет перспективный арсенал аппаратного обеспечения актуального и востребованного узкополосного терагецового излучения.
Для достижения указанного технического результата предлагается источник узкополосного терагерцового излучения, содержащий фемтосекундный лазер с линейно поляризованным импульсным излучением, оптико-терагерцовый преобразователь, выполненный в виде пластины, сориентированной поверхностью одной из ее сторон с возможностью воздействия на нее лазерных импульсов и изготовленной из монокристалла ниобата лития с длиной прохождения лазерных импульсов в данном монокристалле, превышающей длину поглощения в нем терагерцового излучения на рабочей частоте для обеспечения в направлении, обратном распространению указанных лазерных импульсов, терагерцового выхода с повышенной узкополосностью в результате оптического выпрямления лазерных импульсов за счет нелинейного смешения спектральных компонент обыкновенной и необыкновенной волн, образованных после преломления возбуждающего лазерного луча на входной поверхности упомянутой пластины в условиях образования в монокристалле ниобата наведенной нелинейной поляризации с переменной полярностью, и делитель для разделения указанных лазерного и терагерцового излучений, установленный перед входной поверхностью упомянутой пластины.
Причем кристаллографическая ось [100] монокристалла ниобата лития лежит в плоскости входной поверхности пластины и образует угол 45° с направлением вектора поляризации возбуждающего лазерного луча, а кристаллографическая ось [001] этого монокристалла образует с входной поверхностью пластины угол, выбираемый из интервала 50-69°.
В частных случаях в предлагаемом источнике
5
для выработки терагерцового излучения с рабочей частотой 0,35 ТГц и шириной спектральной линии 3 ГГц при эффективности 1,4×10 в направлении, обратном распространению возбуждающих линейно поляризованных фемтосекундных лазерных импульсов с центральной длиной волны 1050 нм и длительностью 500 фс, пластина оптико-терагерцового преобразователя сориентирована поверхностью одной из ее сторон нормально к направлению распространения воздействующих на нее лазерных импульсов и изготовлена из монокристалла ниобата лития с линейным размером, задающим длину прохождения в нем указанных лазерных импульсов, равным 10 мм, с кристаллографической осью [100], лежащей в плоскости входной поверхности указанной пластины, и образующей угол 45° с направлением вектора поляризации возбуждающего лазерного луча, и с кристаллографической осью [001], направленной под углом 69° к входной поверхности этой же пластины, а делитель для разделения возбуждающего лазерного и выходного терагерцового излучений выполнен в виде тонкой пленки, изготовленной из нитроцеллюлозы;
-5
для выработки терагерцового излучения с рабочей частотой 0,5 ТГц и шириной спектральной линии 3,6 ГГц при эффективности 1,3×10 в направлении, обратном распространению возбуждающих линейно поляризованных фемтосекундных лазерных импульсов с центральной длиной волны 1050 нм и длительностью 350 фс, пластина оптико-терагерцового преобразователя сориентирована поверхностью одной из ее сторон нормально к направлению распространения воздействующих на нее лазерных импульсов и изготовлена из монокристалла ниобата лития с линейным размером, задающим длину прохождения в нем указанных лазерных импульсов, равным 7 мм, с кристаллографической осью [100], лежащей в плоскости входной поверхности указанной пластины, и образующей угол 45° с направлением вектора поляризации возбуждающего лазерного луча, и с кристаллографической осью [001], направленной под углом 65° к входной поверхности этой же пластины, а делитель для разделения возбуждающего лазерного и выходного терагерцового излучений выполнен в виде тонкой пленки, изготовленной из нитроцеллюлозы;
-5
для выработки терагерцового излучения с рабочей частотой 1,1 ТГц и шириной спектральной линии 16 ГГц при эффективности 1×10 в направлении, обратном распространению возбуждающих линейно поляризованных фемтосекундных лазерных импульсов с центральной длиной волны 1050 нм и длительностью 160 фс, пластина оптико-терагерцового преобразователя сориентирована поверхностью одной из ее сторон нормально к направлению распространения воздействующих на нее лазерных импульсов и изготовлена из монокристалла ниобата лития с линейным размером, задающим длину прохождения в нем указанных лазерных импульсов, равным 4 мм, с кристаллографической осью [100], лежащей в плоскости входной поверхности указанной пластины, и образующей угол 45° с направлением вектора поляризации возбуждающего лазерного луча, и с кристаллографической осью [001], направленной под углом 50° к входной поверхности этой же пластины, а делитель для разделения возбуждающего лазерного и выходного терагерцового излучений выполнен в виде тонкой пленки, изготовленной из нитроцеллюлозы.
3
-9
Известный источник узкополосного терагерцового излучения на основе генерации разностной частоты при облучении монокристалла ниобата лития двумя лазерными импульсами наносекундной длительности с близкими частотами (см. работу на англ. яз. авторов Т. Akiba «Terahertz wave generation using type II phase matching polarization combination via difference frequency generation with LiNbO» - JAP. J. APPL. PHYS. 2015, v. 54, p. 062202), в состав которого входят два наносекундных импульсных лазера и оптико-терагерцовый преобразователь, выполненный на основе монокристалла ниобата лития (в котором в виду относительно большой длительности лазерного импульса нельзя достичь большой оптической интенсивности, что влияет на эффективность оптико-терагерцового преобразования, которая составляет величину ~10) не противоречит новизне предлагаемого источника узкополосного терагерцового излучения, т.к. в этом известном источнике узкополосного терагерцового излучения используются иные источники лазерного излучения в сочетании с монокристаллом ниобата лития, функционирующем в качестве оптико-терагерцового преобразователя на основе генерации разностной частоты, иной в сравнении с генерацией узкополосного терагерцового излучения в предлагаемом источнике, основанной на оптическом выпрямлении.
На фиг. 1а схематически показан предлагаемый источник узкополосного терагерцового излучения; на фиг. 1б - оптико-терагерцовый преобразователь в составе источника на фиг. 1а; на фиг. 2 - схема облучения фемтоскундным лазерным импульсом монокристалла ниобата лития при функционировании предлагаемого источника; на фиг. 3 - зависимость рабочей частоты предлагаемого источника от угла, образуемого кристаллографической осью [001] монокристалла ниобата лития, из которого выполнена пластина оптико-терагерцового преобразователя, с ее входной поверхностью; на фиг. 4 - нормированная спектральная плотность мощности терагерцового излучения предлагаемого источника; на фиг 5а - зависимость длины поглощения терагерцового излучения в монокристалле ниобата лития от рабочей частоты предлагаемого источника; на фиг. 5б - зависимость эффективности оптико-терагерцового преобразования и оптимальной длительности лазерного импульса от угла, образуемого кристаллографической осью [001] монокристалла ниобата лития, из которого выполнена пластина оптико-терагерцового преобразователя, с ее входной поверхностью.
Предлагаемый источник терагерцового излучения содержит (см. фиг. 1а): фемтосекундный лазер 1, делитель 2, изготовленный из тонкой пленки нитроцеллюлозы и оптико-терагерцовый преобразователь, выполненный в виде пластины 3 монокристалла ниобата лития. Поверхность ABCD пластины 3 монокристалла ниобата лития - оптико-терагерцового преобразователя оптически полирована (см. рис. 1б).
-5
-5
-5
В примерах выполнения предлагаемого источника узкополосного терагерцового излучения для выработки терагерцового излучения с рабочей частотой 0,35 ТГц, 0,5 ТГц и 1,1 ТГц и шириной спектральной линии 3 ГГц, 3,6 ГГц и 16 ГГц при эффективности 1,4×10, 1,3×10 и 1×10 в направлении, обратном распространению линейно-поляризованных возбуждающих фемтосекундных лазерных импульсов с центральной длиной волны 1050 нм и длительностью 500 фс, 350 фс и 160 фс, пластина 3 оптико-терагерцового преобразователя сориентирована своей входной поверхностью нормально к направлению распространения воздействующих на нее лазерных импульсов и изготовлена из монокристалла ниобата лития, имеющего линейный размер, задающий длину прохождения в нем указанных лазерных импульсов, равный 10 мм, 7 мм и 4 мм с кристаллографической осью [100] монокристалла ниобата лития, лежащей в плоскости входной поверхности указанной пластины 3, и образующей угол 45° с направлением вектора поляризации возбуждающего лазерного луча, и с кристаллографической осью [001] этого монокристалла, направленной под углом θ=69°, 65° и 50° к входной поверхности этой же пластины (см. фиг. 1а и 2).
Предлагаемый источник терагерцового излучения работает следующим образом.
Линейно-поляризованные фемтосекундные лазерные импульсы от фемтосекундного лазера 1 проходят через тонкопленочный делитель 2 и падают на входную поверхность ABCD пластины 3 - оптико-терагерцового преобразователя (см. фиг 1б и 2), причем монокристалл ниобата лития сориентирован таким образом, что вектор поляризации возбуждающего луча лазерного импульса образует угол 45° с кристаллографической осью [100], лежащей в плоскости входной поверхности указанной пластины, а кристаллографическая ось [001] этого же монокристалла направлена под углом θ, выбираемым интервала 50-69°.
После вхождения в монокристалл ниобата лития лазерный импульс разделяется на суперпозицию импульсов обыкновенной и необыкновенной волны (см. фиг. 1а и 2). В результате нелинейного смешения спектральных компонент волн в монокристалле ниобата лития наводится нелинейная поляризация, которая одновременно излучает терагерцовое излучение в направлении распространения лазерных импульсов и в направлении, обратном указанному распространению, с преобладанием эффективности излучения в направлении, обратном распространению лазерных импульсов. После выхода из грани ABCD пластины 3 указанное преобладающее терагерцовое излучение отражается от делителя 2 и выводится в свободное пространство для рабочего использования. При этом лазерное излучение проходит делитель 2 без существенного отражения.
Раскрытию физического механизма, обеспечивающего работоспособность предлагаемого источника узкополосного терагерцового излучения, вырабатываемого в монокристалле ниобата лития в направлении, обратном распространению возбуждающих ультракоротких лазерных импульсов, служит следующее физико-расчетное обоснование.
В качестве фемтосекундного лазера 1 рассмотрим эрбиевый лазер с центральной длиной волны 1,05 мкм, импульсы которого поступают (под углом 90°) на входную поверхность пластины 3 монокристалла ниобата лития (см. фиг. 2). Импульсы распространяются вдоль оси х, вектор поляризации которых образуют угол 45° с кристаллографической осью [100] монокристалла ниобата лития.
Рассмотрим одномерную модель с гауссовой огибающей напряженности электрического поля - электрическое поле лазерного импульса считается симметричным по отношению к осям у, z и на входе в пластину напряженность электрического поля имеет вид следующей формулы
0
ω=2π/сλ,
0
где Е - амплитуда напряженности возбуждающего электрического поля лазерного импульса,
λ - центральная длина волны возбуждающего лазерного импульса,
с - скорость света в вакууме;
τ - длительность возбуждающего лазерного импульса.
При преломлении на входной границе пластины 3 лазерный импульс разделяется на суперпозицию импульсов обыкновенной и необыкновенной волн.
-5
Выбор указанного угла 45° с кристаллографической осью [100] монокристалла ниобата лития определился в виду равенства амплитуд импульсов указанных обыкновенной и необыкновенной волн, что обеспечивает наибольшее значение нелинейной поляризации и, следовательно, связанной с ней эффективности оптико-терагерцового преобразования (которая является первой составной частью - вкладом в эффективность искомого оптико-терагерцового преобразования, не менее 10, соответствующую оптимальным требованиям соотношения сигнал/шум и складывающуюся из этой первой части и из второй составной части, обусловленной предлагаемым интервалом угла θ в связи с излагаемым ниже обоснованием).
В результате нелинейного смешивания спектральных компонент данных волн возникает нелинейная поляризация, которая может быть записана в виде
o
e
o
о
e
е
0
eƒƒ
15
22
15
22
где ξ=t-n'x/c, , Δn=n-n и L=2cτ/Δn' с . n, n' и n, n' - индексы преломления и групповые индексы обыкновенной и необыкновенной волн при заданном угле θ, ε - диэлектрическая проницаемость вакуума, χ=χcosϑ+χsinϑ - эффективный нелинейный коэффициент, χ и χ - нелинейные коэффициенты кристалла ниобата лития.
Из формулы (2) следует, что наведенная в монокристалле ниобата лития нелинейная поляризация знакопеременна с периодом λ/Δn.
Для нахождения спектральной плотности мощности терагерцового излучения решим волновое уравнение в Фурье пространстве с источником в виде нелинейной поляризации (см. выражение 2) в трех однородных областях: полупространство х<0, монокристалл ниобата лития и полупространство x>d, где d - толщина указанного монокристалла, равная длине прохождения возбуждающих ультракоротких лазерных импульсов в данном монокристалле. После чего возьмем обратное преобразование Фурье.
Из решения следует существование двух терагерцовых волн: одна распространяется в направлении лазерных импульсов, другая в обратном направлении.
Рассмотрим волну, которая распространяется в обратном направлении. Частота волны задана выражением
t
b
где n - индекс преломления на рабочей терагерцовой частоте Ω/2π.
b
Таким образом, рабочая частота источника Ω/2π задается изменение угла θ в виду зависимости от него необыкновенного группового индекса и индекса преломления лазерного излучения, входящих в n' и Δn.
b
b
На фиг. 3 построена зависимость рабочей частоты Ω/2π источника узкополосного терагерцового излучения от угла θ. Например, генерации на рабочей частоте Ω/2π=0,5 ТГц соответствует угол θ=65°.
Выражение для спектральной плотности мощности S(Q) в зависимости от терагерцовой частоты Ω
где
t
k=Ωn/c,
где Ф - функция ошибок.
2
b
На фиг. 4 представлена нормированная спектральная плотность мощности терагерцового излучения, рассчитанная согласно формуле 4 при интенсивности накачки 100 ГВт/см, толщине монокристалла ниобата лития d=7 мм, угле θ=65° и длительности τ=350 фс. Для указанных параметров источник узкополосного терагерцового излучения будет излучать терагерцовое излучение на частоте Ω/2π=0,5 ТГц с шириной спектральной линии на уровне половины высоты – 3,6 ГГц.
Для подтверждения сужения спектральной линии излучения предлагаемого источника сравним полученные характеристики терагерцового излучения с источником на основе периодически поляризованного кристалла ниобата лития (см. статью на англ. яз. авторов G. Xu et al. «Efficient generation of backward terahertz pulses from multiperiod periodically poled lithium niobate» - OPTICS LETT. 2009, v. 34, p. 995). В указанной статье ширина спектральной линии 18,1 ГГц на рабочей частоте 0,37 ТГц, что в шесть раз шире, чем ширина спектральной линии 3 ГГц предлагаемого источника на той же рабочей частоте.
a
b
В результате численного счета было найдено, что для обеспечения генерации узкополосного терагерцового излучения, вырабатываемого в монокристалле ниобата лития в направлении, обратном распространению возбуждающих ультракоротких лазерных импульсов, длина монокристалла должна быть не меньше длины поглощения L на рабочей терагерцовой частоте Ω/2π
a
b
a
b
Для определения толщины монокристалла ниобата лития d большей L при различных рабочих частотах Ω/2π терагерцового излучения построена зависимость длины поглощения L от рабочей терагерцовой частоты Ω/2π, показанная на фиг. 5а.
opt
Также в результате расчета было найдено, что оптимальная длительность τ возбуждающих фемтосекундных лазерных импульсов (соответствующая максимальной эффективности оптико-терагерцового преобразования) может быть выбрана согласно зависимости от угла θ на фиг. 5б (см. пунктирную кривую).
2
Интегрируя формулу 4 по терагерцовой частоте Ω, найдем эффективность оптико-терагерцового преобразования. На фиг. 5б сплошной кривой представлена зависимость эффективности оптико-терагерцового преобразования в направлении, обратном распространению лазерных импульсов при указанной ранее оптимальной длительности импульса и толщине монокристалла ниобата лития и интенсивности накачки 100 ГВт/см.
-5
b
Эффективность (не менее 10), отвечающая оптимальным требованиям соотношения сигнал/шум, при которых будет достигаться стабильная работоспособность источника узкополосного излучения, вырабатываемого в монокристалле ниобата лития в направлении, обратном распространению возбуждающих ультракоротких лазерных импульсов соответствует диапазону углов θ (50°-69°), что в свою очередь соответствует диапазону рабочих частот Ω/2π от 1,1 до 0,35 ТГц.
При выходе из указанного диапазона в сторону уменьшения угла θ упомянутая эффективность резко уменьшается - при отклонении на 5° эффективность уменьшается на 20% и при выходе из указанного диапазона в сторону увеличения угла θ превышается технологически допустимая толщина монокристалла ниобата лития, равная в расчете 10 мм.
Изложенное обоснование в развернутом виде будет опубликовано в статье на англ. яз. авторов Е.A. Mashkovich, S.A. Sychugin and М.I. Bakunov «Generation of narrowband terahertz radiation by an ultrashort laser pulse in a bulk LiNbCb crystal» в журнале Optics Letters, в который указанная статья поступила в начале марта 2017 г.
В настоящее время проводится подготовка испытаний экспериментальных образцов предлагаемого источника узкополосного терагерцового излучения.
-5
Таким образом, изложенное выше обоснование, работающее для фемтосекундных лазеров и с другими центральными длинами волн, подтверждает выработку узкополосного терагерцового излучения в монокристалле ниобата лития в направлении, обратном распространению возбуждающих ультракоротких лазерных импульсов, в интервале технологически допустимых толщин указанного монокристалла, с эффективностью оптико-терагерцового преобразования (не менее 10), соответствующей оптимальным требованиям соотношения сигнал/шум, при суженной спектральной ширине линии излучения указанного источника за счет изложенных структуры и состава этого источника, а простота конструкции последнего минимизирует использование технических средств.