Генерация субпикосекундного терагерцового излучения в скрещенных электрическом и магнитных полях

ГЕНЕРАЦИЯ СУБПИКОСЕКУНДНОГО ТЕРАГЕРЦОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В СКРЕЩЕННЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ И МАГНИТНЫХ ПОЛЯХ

В.Г. Беспалов, Ю.Н. Ефимов, Э.В. Милоглядов Введение

В последние десять лет терагерцовые (ТГц) излучающие системы в наиболее длинноволновом оптическом интервале частот (3-1011-30-1012 Гц) привлекают большой интерес вследствие широкого использования в научных целях, а также возможных применений для военной и гражданской техники. В настоящее время развиваются несколько параллельных направлений создания когерентных импульсных источников ТГц диапазона. В начале 90-х годов несколькими группами исследователей было показано, что при освещении некоторых фотополупроводников фемтосекундными импульсами света поверхность образцов излучает когерентные сверхкороткие широкополосные импульсы в дальнем ИК диапазоне (10 мкм-1 мм) (ссылки см. [1,2]). Наряду с возбуждением фотоносителей, ТГц излучение может генерироваться в процессе коллективного оптического возбуждения электронов в гетероструктурах и квантовых ямах. Ультракороткие ТГц оптические импульсы в настоящее время перспективны для внутренней и внешней связи в интегральных схемах, для целей спектроскопии дальнего ИК диапазона с разрешением во времени и химического определения состава сложных соединений, для создания ТГц радаров, для целей оптической ТГц томографии с разрешением во времени (T-ray imaging), поскольку охватывают актуальный спектральный диапазон колебательных, вращательных и трансляционных линий широкого класса органических и биологических молекул, имеют высокую проникающую способность сквозь дымы и туманы и обладают предельно высоким пространственно-временным разрешением вплоть до 01-1 мм. Следует отметить, что большинство сред, непрозрачных в видимом диапазоне, прозрачны в ТГц диапазоне спектра, что открывает возможности интравидения. Данные свойства создают широкие перспективы использования ТГц излучения во многих направлениях современного мониторинга окружающей среды.

Генерация терагерцового излучения и его усиление

Для возбуждения ТГц излучения использовались импульсы излучения Ti:S лазера (Фемос-1) с длительностью отдельного импульса 70 фс, энергией до 2 нДж, частотой повторения 80 МГц и средней мощностью лазерного излучения до 150 мВт. В качестве генератора излучения дальнего ИК диапазона использовался нелегированный кристалл арсенида индия InAs, вырезанный в плоскости [1 0 0] и представляющий собой пластину размерами 10x10 мм и толщиной 100 мкм. Концентрация основных носителей в кристалле составляла ~3-1016 см-3, подвижность электронов - 3-104 см2/В-с.

Применение внешних электрического и магнитного поля вследствие квадратичной зависимости интенсивности ТГц излучения от напряженности позволяет достаточно эффективно увеличивать среднюю мощность ТГц импульсного излучения, генерируемую полупроводником. Развитие технологии производства сильных постоянных магнитов позволило создавать компактные схемы генерации ТГц импульсного излучения. Поэтому в качестве оптимального способа повышения средней выходной мощности ТГц импульсного излучения было выбрано увеличение коэрцитивной силы магнита. С этой целью на основе расчетов нами была разработана магнитная система специальной конфигурации на основе композита Nd:B:Fe. Чертеж магнитной системы приведен на рис.1. Она представляет собой вертикальный цилиндр с двумя горизонтальными клиновидными выемками, сообщающимися в центре магнитной системы, высотой 10.5

мм. Полупроводниковый кристалл размещался в центре цилиндра на его оси с таким расчетом, чтобы излучение накачки падало на него через одно отверстие, а отраженное и ТГц излучение выходило через другое.

Расчет конфигурации магнитной системы позволил увеличить однородность и напряженность магнитного поля в области размещения кристалла с 0.5 Т в использованном ранее магните до 1.8 Т. При фокусировке импульсов фемтосекундного лазера со средней мощностью 50 мВт на поверхность 1пЛв без магнитного поля регистрировалось ТГц излучение со средней мощностью 2 нВт. Помещение 1пЛв в магнитное поле тороидального магнита напряженностью 0.5 Т и направлением параллельно поверхности кристалла приводило к шестикратному увеличению мощности генерируемого излучения. Использование разработанной нами конфигурации системы магнитов с напряженностью магнитного поля 1.8 Т позволило увеличит среднюю мощность ТГц излучения еще в 10.5 раз по сравнению со схемой с тороидальным магнитом. Следует отметить, что при изменении направления магнитного поля интенсивность ТГц излучения уменьшалась и достигала минимума при перпендикулярной ориентации относительно поверхности кристалла. Таким образом, результаты исследования терагерцового излучения, генерируемого в кристалле 1пЛб, помещённом в поле постоянного магнита, при возбуждении фемтосекундными импульсами Т1:Б лазера показывают высокую эффективность, простоту и надежность использования постоянных магнитов с высокой коэрцитивной силой, что позволяет при оптимизации выходной мощности, широкопо-лосности и временных параметров сверхкоротких импульсов ТГц излучения значительно снизить требования к мощности оптического возбуждения.

Широкополосный спектрометр дальней ИК области с использованием субпикосекундных импульсных ТГц систем

Для мониторинга и контроля загрязнения окружающей среды с использованием сверхкоротких импульсов ТГц излучения была разработана схема терагерцового спектрометра. Схема спектрометра представлена на рис.2. На входе пучок фемтосекундного излучения разделяется на возбуждающий и опорный. Возбуждающий импульс попадает на пластину полупроводника, помещенную в магнитное поле системы постоянных

Рис. 1 Чертеж магнитной системы

магнитов. В направлении возбуждающего излучения генерируется ТГц излучение. Оно коллимируется и фокусируется двумя параболическими зеркалами на образец, спектр которого необходимо измерить. Прошедшее образец ТГц излучение фокусируется второй параболической системой на электрооптический кристалл, являющийся детектором ТГц излучения.

Рис. 2 Схема ТГц спектрометра

Опорный фемтосекундный пучок падает с пучком ТГц излучения на приемник после прохождения по системе зеркал линии задержки. При попадании одновременно ТГц импульса и светового импульса в приемнике возникает сигнал, пропорциональный амплитуде электрического поля ТГц излучения в данный момент времени.

Рис. 3. Искажения формы ТГц сигнала (а) и спектр поглощения паров ацетона (Ь). Штриховая линия на (а) - неискаженный сигнал

Изменяя время прихода опорного импульса на приемник при помощи линии задержки и сигнал детектора, можно построить зависимость амплитуды электрического поля ТГц излучения от времени. Используя Фурье-преобразование данной временной

зависимости, можно получить спектр ТГц излучения. Помещая между параболическими зеркалами исследуемый образец, можно получить разностный сигнал, из которого извлекается информация о спектре поглощения. В качестве примера на рис. 3 приведены графики искажения формы ТГц сигнала (см. рис.3 а), обусловленные наличием паров ацетона в образце, и спектр поглощения паров (см. рис.3 Ь), определенный из первого графика.

Перечислим преимущества такого спектрометра.

• Вследствие широкополосности ТГц излучения возможно получение спектра сразу в диапазоне 50-600 мкм.

• Благодаря когерентному детектированию измеряется амплитуда, а не интенсивность электрического поля ТГц излучения, что позволяет извлечь информацию как об амплитуде, так и фазе регистрируемого ТГц сигнала.

• Спектрометр не чувствителен к тепловому излучению и не требует использования охлаждаемых до сверхнизких температур болометров.

• При использовании современного волоконного фемтосекундного лазера, имеющего габариты 20x10x5 см с питанием от аккумулятора, весь спектрометр может иметь размеры 40x20x5 см и вес не более 20 кг.

Можно указать следующие возможные применения спектрометра:

• измерения спектров загрязнения воздуха органическими и неорганическими молекулами, имеющими поглощение в данном диапазоне спектра;

• изучение спектров биологических молекул, включая ДНК;

• неразрушающий контроль изделий из керамики и пластмасс, которые практически прозрачны для ТГц излучения;

• контроль влажности различных веществ;

• контроль ценных бумаг.

Таким образом, использование предложенной схемы ТГц спектрометра позволит решить широкий круг научно-технических и производственных задач, в том числе задачу мониторинга загрязнения окружающей среды с помощью дистанционного зондирования атмосферы терагерцовыми импульсами.

Выводы

1. Определены пути повышения средней выходной мощности ТГц излучения, а также достигнуто значительное (десятикратное) увеличение эффективности преобразования субпикосекундных импульсов ТГц излучения, генерируемых полупроводниковым кристаллом 1пЛб при использовании дополнительного магнитного поля.

2. На основе численного моделирования выбран оптимальный вариант модернизации существующей установки и разработана схема ТГц спектрометра для апробирования методик контроля загрязнения.

Литература

1. Беспалов В.Г., Крылов В.Н., Стаселько Д.И., Путилин С.Э., Лукомский Г.В. Генерация и детектирование дальнего ИК излучения при фемтосекундном оптическом возбуждении кристаллов 1пЛб. / В кн.: Проблемы когерентной и нелинейной оптики., СПбГИТМО, 2000. с. 128-135.

2. Беспалов В.Г., Крылов В.Н., Путилин С.Э., Стаселько Д.И. Генерация излучения в дальнем ИК диапазоне спектра при фемтосекундном оптическом возбуждении полупроводника ТпЛб в магнитном поле. // Опт. и спектр. 2002. Т 92. № 5