Кольцевой параметрический генератор терагерцового излучения

Полезная модель относится к области оптоэлектроники и нелинейной оптики, в частности к разработке и созданию генераторов терагерцового излучения с высоким коэффициентом преобразования мощности излучения оптического диапазона в мощность излучения терагерцового диапазона.
На данный момент терагерцовая область спектра является малоизученной как с теоретической, так и с экспериментальной точек зрения. В связи с этим существует большая необходимость в создании компактных и высокомощных излучателей и детекторов, функционирующих в терагерцовом диапазоне частот. Определенный прогресс в этом направлении был достигнут при использовании квантовых каскадных лазеров и диодного перестраиваемого лазера на основе эпитаксиальных пленок арсенида галлия (Williams B.S. et al. // Opt. Express. 2005. V. 13, P. 3331, Dunning M. et al. // Phys. Rev. Lett. 2012. V. 109, P. 074801). Тем не менее при использовании подобного рода генераторов неизбежно возникают трудности, обусловленные как сложной технологической конструкцией генератора, так и необходимостью соблюдения высоких требований к контролю параметров в процессе работы устройства (например, соблюдением строго заданного низкотемпературного режима).
Известна кольцевая схема резонатора параметрического генератора света (Айрапетян В.С., Широкова Т.А. // Интерэкспо Гео-Сибирь. 2012. № 2. Т. 5), состоящая из кольцевого резонатора для сигнальной волны, который образован тремя плоскими зеркалами, непрозрачными для частот накачки и прозрачных для образующихся разностных частот и нелинейного кристалла ниобата лития, который помещен внутрь резонатора. Ввод излучения в систему осуществляется через правое зеркало, вывод - через левое. Излучение от лазера накачки проходит через верхнее зеркало и поглощается поглотителем. Подобную схему можно использовать для параметрической генерации света в диапазоне 1.42-4.24 мкм. Выходная энергия излучения в импульсном режиме составляет при этом 50 мДж. Перестройка частоты генератора обеспечивается за счет подачи постоянного электрического напряжения на нерабочие поверхности кристалла.
Недостатком предложенной схемы является то, что частота генерируемого излучения всегда будет незначительно отличаться от частоты накачки, вследствие чего данная схема не пригодна для генерации излучения терагерцового и дальнего ИК -диапазона. Более того, при длительном попутном взаимодействии волн с большой пиковой мощностью излучения неизбежно возникает эффект модуляционной неустойчивости, который препятствует достижению больших значений мощности для образующейся волны разностной частоты. Для устранения этих недостатков предлагается данная полезная модель.
Цель:
реализовать генерацию терагерцового излучения в кольцевом параметрическом резонаторе на разностной частоте с высоким коэффициентом преобразования мощности оптического излучения в мощность терагерцового излучения.
Технический результат:
повышение коэффициента преобразования мощности при реализации условий фазового синхронизма и предотвращение модуляционной неустойчивости при параметрическом взаимодействии в нелинейном кристалле. Технический результатдостигается за счет использования схемы кольцевого резонатора, внутрь которого помещен нелинейный кристалл теллурида цинка ZnTe с гофрировкой верхней поверхности, причем ввод оптического излучения в систему от второго лазера осуществляется через управляемую призму, которая отклоняет проходящее через нее излучение на требуемый, строго заданный угол.
Предлагаемая полезная модель параметрического генератора, изображенная на фиг. 1, состоит из следующих конструктивных элементов:
1 - плоское зеркало, непрозрачное в терагерцовой области спектра.
2 - плоское зеркало, с коэффициентом пропускания для разностной частоты , использующееся для вывода терагерцового излучения из резонатора.
3 - глухое зеркало, непрозрачное на длинах волн накачки.
4 - интерферометр Жира-Турнуа, осуществляющий контроль над фазой «сигнальной» волны.
5 - управляемая призма ввода.
6 - твердотельный лазер №1 (YAG:Nd с длиной волны ).
7 - твердотельный лазер №2 (YAG:Nd с длиной волны ).
8 - кристалл теллурида цинка с гофрировкой верхней поверхности.
9-11 - оптические оси.
12,13 - поглотители оптического излучения.
- частота волны накачки, генерируемая лазером №1.
- частота волны накачки, генерируемая лазером №2, причем .
- частота разностной «сигнальной» волны, .
Параметрический генератор состоит из кольцевого резонатора с обратной связью для «сигнальной» волны, двух плоских зеркал, первое из которых является глухим с коэффициентом отражения для сигнальной волны, близким к 100%, через второе зеркало с коэффициентом пропускания  терагерцовое излучение выводится из резонатора на каждом проходе интерферометра Жира-Турнуа, обеспечивающего необходимые фазовые условия практически для любой частоты и нелинейного активного элемента, которым является кристалл теллурида цинка ZnTe, который обеспечивает перекачку энергии от мощной волны накачки ИК-диапазона в усиливающуюся волну ТГц-диапазона. Для уменьшения отстройки от фазового синхронизма на верхней поверхности кристалла с помощью химического травления через маскирующий слой формировался рельеф в виде вытравленных по всей ширине кристалла канавок одинаковой глубины.
Линейно поляризованное излучение оптической частоты  от непрерывного источника неистощимой накачки 6 - высокотехнологичного твердотельного лазеров, падает на левую грань нелинейного кристалла 8 и далее распространяется вдоль оптической оси 9, которая совпадает с главной оптической осью кристалла 8, в качестве которого взят кристалл теллурида цинка ZnTe. Линейно поляризованное излучение частоты  от второго лазера неистощимой накачки, отражаясь от глухого зеркала 3, попадает на оптическую призму 5, соединенную с устройством управления, которое осуществляет поворот призмы, отклоняя проходящий луч на необходимый угол . При этом подбор угла  определяется из условия минимума величины отстройки от фазового синхронизма:
с
где  - частоты от лазеров накачки,  - разностная терагерцовая частота,  - показатель преломления теллурида цинка на частотах и ,  - показатель преломления теллурида цинка в терагерцовой области,  - скорость света,  - период структуры, сформированной в нелинейном кристалле. Таким образом, при заданном периоде структуры , всегда можно найти необходимый угол поворота , при выборе которого величина отстройки  будет крайне мала, что в свою очередь способствует значительному повышению коэффициента преобразования  мощности оптического излучения в мощность терагерцового излучения.
Излучение с частотой  от источника накачки 6 и отклоненное на угол  излучение с частотой  от источника накачки 7 создают в кристалле 8 область параметрического взаимодействия, в ходе которого образуется «сигнальная» волна с разностной частотой . Далее, волны с частотами  и , совершив один проход через нелинейный кристалл, полностью выводятся из резонатора и поглощаются на поглотителях оптического излучения 12 и 13, расположенных по обе стороны от кольцевого резонатора. Образованная «сигнальная» волна с частотой , проходя через нелинейный кристалл 8, усиливается за счет многократных брегговских переотражений, попадает на плоское зеркало 2, где частично выводится из резонатора (при каждом проходе волной резонатора выводится 5% от ее мощности). Затем, отразившись от зеркала 2, «сигнальная» волна распространяется вдоль оптической оси 10, после чего попадает на интерферометр Жира-Турнуа 4, коэффициент отражения от которого равен единице и в котором осуществляется управление фазой волны. После отражения от интерферометра 4, пройдя вдоль оптической оси 11 волна «сигнальной» частоты полностью отражается от левого зеркала 1, вновь попадает в нелинейный кристалл 8 и снова претерпевает брегговские переотражения, после чего часть излучения выводится через правое зеркало.
Ниже приведены численные характеристики полезной модели. В качестве основного конструктивного элемента параметрического генератора использовалось 3 кристалла теллурида цинка с одинаковыми длинами см. Для каждого кристалла по всей длине формировалась периодическая структура с периодами  соответственно. Сформированные периодические структуры позволяют скомпенсировать отстройку от фазового синхронизма при параметрическом преобразовании частоты в каждом из выбранных кристаллов. Подобная отстройка возникает из-за различия показателя преломления ZnTe в оптическом и терагерцовом диапазонах. Площадь поперечного сечения всех кристаллов одинакова и равна . Мощность вводимого импульсного излучения для всех кристаллов одинакова , рабочие длины волн лазеров накачки . В этом случае генерация будет осуществляться на разностной частоте  при этом мощность генерируемого терагерцового излучения составит . Показатель преломления ZnTe на длинах волн  лазера накачки составляет соответственно , а в терагерцовой области на длине волны .
Нафиг. 2 для генерируемой частоты  ТГц приведены зависимости коэффициента преобразования мощности  от угла поворота  оптической управляемой призмы 5 для трех кристаллов с периодами  (кривые 14-16). Видно, что наибольшей величине коэффициента  при всех значениях периода структуры  соответствует угол . В целом, диапазон изменения коэффициента преобразования при увеличении угла уже для структур с большим периодом. Тем не менее, при выборе больших значений достигаются большие значения коэффициента преобразования. Например, кристаллу с периодом  при угле  величина коэффициента преобразования составит .