УЗКОПОЛОСНЫЙ ГЕНЕРАТОР ТЕРАГЕРЦОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ КРИСТАЛЛА ZnTe

7
2
Полезная модель относится к оптоэлектронике, в частности, к устройствам для узкополосной параметрической генерации излучения в терагерцовом (ТГц) диапазоне (0.5-3 ТГц) интенсивностью до 10 Вт/см.
Устройство включает в себя лазерные источники накачки и сигнальной волны с различными частотами генерации и активного элемента на основе нелинейного кристалла теллурида цинка (ZnTe) со сформированной на его поверхности решеткой Брэгга, обеспечивающей фазовый синхронизм. Принцип работы устройства основан на встречном взаимодействии коллинеарно направленных волн оптического диапазона: накачки и сигнальной волны [А. Ярив. Квантовая электроника, М.: Сов. радио, 1980, 488 с.].
Активный элемент выполнен из кристалла теллурида цинка, на поверхности которого сформирована решетка Брэгга с периодом Λ. Активный элемент размещен в термостате, обеспечивающем постоянство температуры нелинейного кристалла, необходимой для генерации излучения заданной частоты и мощности. Технический результат заключается в уменьшении ширины спектральной полосы генерируемого терагерцового излучения и повышении коэффициента преобразования.
12
13
В настоящее время является актуальной разработка источников электромагнитного излучения терагерцового диапазона (0.5⋅10 - 10 Гц) для решения задач ТГц диагностики и спектроскопии. При этом в качестве источников ТГц излучения большой мощности используются линейные ускорители, синхротроны, а также квантовые каскадные лазеры (С. Sirtori, "Wave engineering with THz quantum cascade lasers", Nature Photon. 7, 691, 2013). Однако при эксплуатации подобного рода генераторов возникают существенные трудности, связанные либо с чрезвычайно сложной их конструкцией, либо со сложностью соблюдения высоких требований к контролю параметров.
Известно устройство генерации узкополосного терагерцового излучения (полезная модель ПМ №175818 от 24.03.2017, М.И. Бакунов и Е.А. Машкович), состоящее из фемтосекундного лазера, оптико-терагерцового преобразователя на основе монокристалла ниобата лития и делителя для разделения лазерного и терагерцового излучений. Генерация терагерцового излучения происходит при облучении электрооптического кристалла фемтосекундными лазерными импульсами за счет наведения в нем нелинейной поляризации. Используя в качестве накачки фемтосекундный лазер с центральной длиной волны 1050 нм и длительностью импульсов до 500 фс, описанный генератор позволяет получить терагерцовое излучение с частотой 0.35 ТГц и шириной спектральной линии 3 ГГц. Недостатком известной схемы является большая ширина спектральной линии генерируемого терагерцового излучения.
2
Известна работа (Y. He et al. Applied Physics B (2018) 124:16 https://doi.org/10.1007/s00340-017-6887-4), в которой предложена схема перестраиваемого монохроматического ТГц - источника, основанного на генерации разностной частоты в кристалле DAST. Двухволновой оптический параметрический генератор с двумя кристаллами KTP был построен как источник света для DFG, где эффект синего света впервые наблюдался двухволнового накачки. Частота ТГц была произвольно настроена в диапазоне 0.3-19.6 ТГц. Наибольшая энергия 870 нДж / импульсов была получена при 18.9 ТГц при интенсивной интенсивности накачки 247 МВт/см. Затухание выше 3 ТГц было проанализировано и в основном связано с резонансом решетчатой вибрации в кристалле DAST. Зависимость ТГц от входной энергии исследовалась экспериментально, а ТГц наблюдается насыщение выхода. Недостатком является относительная сложность реализации предложенной схемы и импульсный режим работы устройства.
Для устранения этих недостатков предлагается данная полезная модель.
7
2
Цель: обеспечить генерацию узкополосного излучения терагерцового и дальнего ИК-диапазонов мощностью до 10 Вт/см с возможностью перестройки генерируемой частоты.
Технический результат: повышение коэффициента преобразования энергии оптического диапазона в энергию терагерцового диапазона и уменьшение ширины линии излучения путем реализации условия фазового синхронизма с возможностью управления частотой и мощностью терагерцовой волны за счет изменения периода решетки Брэгга и температуры нелинейного кристалла.
Технический результат достигается за счет использования схемы взаимодействия встречных волн и генерации разностной частоты в кристалле теллурида цинка с нанесенной на поверхность решеткой Брэгга с периодом Λ, обеспечивающей фазовый синхронизм и высокий коэффициент преобразования, причем нелинейный кристалл помещен в термостат, который задает требуемую температуру.
Предлагаемая полезная модель включает в себя следующие конструктивные элементы (фиг. 1):
1 - твердотельный (или волоконный) лазер №1 (источник накачки);
2 - твердотельный (или волоконный) лазер №2 (источник сигнальной волны);
3 - кристалл теллурида цинка с решеткой Брэгга на поверхности нелинейного кристалла;
4 - оптическая ось;
5 - термостат, обеспечивающий поддержание требуемой температуры;
1
ω - частота волны накачки, генерируемой лазером №1;
2
ω - частота сигнальной волны, генерируемой лазером №2, причем ;
3
ω - частота генерируемой терагерцовой волны;
1
2
Предлагаемая полезная модель состоит из источника накачки с оптической частотой ω, источника сигнальной волны с оптической частотой ω, активного элемента, в качестве которого выступает нелинейный кристалл теллурида цинка. Решетка Брэгга, сформированная на поверхности активного элемента, позволяет обеспечить полный фазовый синхронизм для генерации излучения разностной частоты и перекачки энергии от мощной волны накачки оптического диапазона в волну ТГц диапазона, испытывающей усиление при распространении вдоль оптической оси активного элемента. Активный элемент помещен в термостат, обеспечивающий контроль температуры нелинейного кристалла.
1
2
3
2
1
2
1,2,3
L
Излучение волны накачки с оптической частотой ω от постоянного, либо импульсного источника накачки с длительностью импульса более 1 нс - титан-сапфирового лазера Ti-AlO (1) распространяется вдоль главной оптической оси (4) нелинейного кристалла теллурида цинка (активного элемента 3). Излучение сигнальной волны с оптической частотой ω от полупроводникового узкополосного лазера также распространяется вдоль оптической оси (4), но в противоположном направлении. Активный элемент помещен в термостат (5). Решетка Брэгга, сформированная на поверхности активного элемента, обеспечивает выполнение условия фазового синхронизма . Встречное взаимодействие сигнальной волны и волны накачки внутри активного элемента при выполнении условия фазового синхронизма образуют волну с разностной частотой в терагерцовом диапазоне. Направление излучения терагерцовогой волны совпадает с направлением волны накачки. Интенсивность терагерцовой волны на выходе из активного элемента зависит от величины нелинейного коэффициента усиления кристалла на оптических частотах ω и ω, коэффициента поглощения на частотах ω, длины  активного элемента. При этом величина коэффициента поглощения нелинейного кристалла ZnTe может регулироваться температурой термостата.
⋅
14
⋅
14
-1
-1
2
2
2
2
2
Далее приведены численные характеристики полезной модели. В качестве активного элемента предлагаемой модели использовался кристалл теллурида цинка с длиной L=1 см. Частоты сигнальной волны и волны накачки 3.84310 и 3.89310 с соответствуют длинам волн  мкм и  мкм. Коэффициент поглощения теллурида цинка на этих частотах равен  см. Период решетки Брэгга  мкм позволяет достичь выполнения условия фазового синхронизма и генерации «холостой» волны на частоте  ТГц при температуре активного элемента Т = 295 К. Интенсивность вводимого излучения накачки  Вт/мкм, интенсивность сигнальной волны на входе  Вт/мкм, что не превышает пороговое значение разрушения нелинейного кристалла. Данные значения позволяют получить на выходе из активной зоны терагерцовую волну с интенсивностью  Вт/см на частоте 2.368 ТГц. Ширина полосы линии излучения при этом составляет менее 1 ГГц (см. Фиг 2). Отношение генерируемой мощности к суммарной мощности накачки и сигнальной волны, т.е. коэффициент оптико-ТГц преобразования при этом составляет 0.034%. При понижении температуры активного элемента до Т = 80 К (соответственно, изменении периода решетки = 13.54 мкм) и уровня накачки до значения  Вт/мкм, интенсивность ТГц волны может достигать  Вт/см на частоте 2.437 ТГц, а отношение генерируемой мощности к суммарной мощности накачки и сигнальной волны при этом достигает 1.432% (Фиг.3).
Перестройка частоты излучения терагерцовой волны в диапазоне 0.5-3 ТГц возможна за счет изменения интенсивности накачки и сигнальной волны, температуры активного элемента, его длины и периода решетки Брэгга Λ.