Устройство для параметрической генерации излучения в терагерцовом и дальнем ИК-диапазоне

Изобретение относится к области оптоэлектроники, в частности к разработке и созданию компактных устройств для параметрической генерации излучения терагерцового и дальнего инфракрасного (ИК) диапазонов.
12
13
В настоящее время существует большая необходимость в создании компактных, работающих при комнатной температуре генераторов и детекторов электромагнитного терагерцового (ТГц) излучения диапазона (10-10 Гц), которые бы полностью удовлетворяли задачам широкого практического применения ТГц диагностики. На данный момент в качестве ТГц источников 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.
4
Известно устройство для параметрической генерации света (патент ЕА 015572 В1 от 31.10.2011, В.И. Дашкевич и др.), состоящее из кольцевого резонатора для сигнальной волны, образованное тремя плоскими зеркалами, первое из которых служит для ввода и вывода излучения из системы, второе является выходным для сигнальной волны, и тремя нелинейными кристаллами KTiPO, установленными между каждой парой зеркал, причем перед первым зеркалом введен телескоп, связывающий его с лазером накачки. Генерация направленного ИК-излучения осуществляется путем нелинейных параметрических взаимодействий в каждом из трех кристаллов, в ходе которых образуются «сигнальная» и «холостая» волны, которые совместно с волной накачки циркулируют по резонатору. Используя в качестве источника накачки неодимовый многомодовый лазер с длиной волны 1,064 мкм, описанный кольцевой генератор позволяет генерировать импульсы с энергией 39 мДж на длине волны 1,57 мкм с расходимостью не более 6-6,5 мрад.
Недостатком известной схемы является то, что частота генерируемого излучения незначительно отличается от частоты накачки и она непригодна для генерации излучения терагерцового и дальнего ИК-диапазонов. Для устранения этого недостатка предлагается данная полезная модель.
Цель: обеспечить генерацию излучения терагерцового и дальнего ИК-диапазонов в кольцевом параметрическом резонаторе с возможностью перестройки генерируемой частоты.
Технический результат: повышение коэффициента преобразования энергии оптического диапазона в энергию терагерцового диапазона при реализации условий фазового синхронизма с возможностью управления частотой сигнальной волны за счет изменения температуры нелинейного кристалла.
3
Технический результат достигается за счет использования схемы кольцевого резонатора, внутрь которого помещен нелинейный кристалл LiNbO с периодической по длине полосовой доменной структурой (ПДС), которая обеспечивает реализацию параметрического трехволнового взаимодействия с высоким коэффициентом преобразования, причем нелинейный кристалл помещен в термостат, который задает требуемую температуру.
Предлагаемая полезная модель включает в себя следующие конструктивные элементы:
1 - брегговское зеркало, прозрачное на длине волны накачки и полностью непрозрачное на длине волны генерации (на длинах волн терагерцового и дальнего ИК-излучения).
2 - брегговское зеркало, прозрачное на длине волны накачки и частично непрозрачное на длине волны терагерцового излучения (используется для вывода излучения из резонатора).
3 - интерферометр Жира-Турнуа, осуществляющий контроль над фазой «сигнальной» волны.
4 - твердотельный (или волоконный) лазер №1.
5 - твердотельный (или волоконный) лазер №2.
6 - кристалл ниобата лития с созданной в нем ПДС.
7-9 - оптические оси.
10 - термостат, обеспечивающий поддержание требуемой температуры.
1
ω - частота волны накачки, генерируемая лазером №1.
2
2
1
ω - частота волны накачки, генерируемая лазером №2, причем ω>ω.
3
ω - частота разностной «сигнальной» волны.
3
Предлагаемая полезная модель состоит из кольцевого резонатора с обратной связью для сигнальной волны, двух брегговских зеркал, первое из которых служит для ввода излучения в систему, второе - для вывода холостой волны и волны накачки, третьим зеркалом является интерферометр Жира-Турнуа, позволяющий обеспечить фазовые условия практически для любой частоты и нелинейного активного элемента, которым является кристалл ниобата лития LiNbO, который обеспечивает перекачку энергии от мощной волны накачки ИК-диапазона в усиливающуюся волну ТГц диапазона, для уменьшения отстройки от фазового синхронизма в активном нелинейном элементе с помощью внешнего электрического поля сформирована периодическая ПДС. Активный элемент помещен в термостат, обеспечивающий температуру нелинейного кристалла, необходимую для генерации заданной частоты.
1
2
3
3
2
1
1
2
3
3
3
3
Поляризованное излучение оптических частот ω и ω от импульсных источников неистощимых накачек 4, 5 - высокотехнологичных твердотельных YAG:Nd-лазеров, проходит через полупрозрачное зеркало 1 и распространяется вдоль оптической оси 7, которая совпадает с главной оптической осью активного элемента 6, в качестве которого взят кристалл ниобата лития LiNbO. Активный элемент 6 помещен в термостат 10. Волны накачки создают в кристалле 6 область параметрического взаимодействия, в ходе которого образуется «сигнальная» волна с разностной частотой ω=ω-ω. Далее, волны с частотами ω и ω, совершив лишь один проход через нелинейный кристалл, полностью выводятся из резонатора через правое зеркало 2. «Сигнальная» волна, частота которой ω напрямую зависит от ПДС, созданной в активном элементе 6, проходя через него, усиливается за счет многократных брегговских переотражений, отражается от зеркала 2, распространяется вдоль оптической оси 8, после чего попадает на интерферометр Жира-Турнуа 3, коэффициент отражения от которого равен единице и в котором осуществляется управление фазой волны. После отражения от интерферометра 3, пройдя вдоль оптической оси 9, волна «сигнальной» частоты полностью отражается от левого полупрозрачного зеркала 1, вновь попадает в нелинейный кристалл 6 и снова претерпевает брегговские переотражения. Вывод излучения интересующей частоты ω осуществляется на каждом проходе через правое зеркало 2, коэффициент отражения которого для «сигнальной» волны равен R=0.75. Причем «сигнальная» частота ω, образуемая в ходе нелинейного параметрического взаимодействия в активном элементе 6, может быть перестроена за счет выбора определенной температуры, устанавливаемой термостатом 10. Указанная особенность, в частности, подробно описывается в работе (L.Е. Myers, G.D. Miller, R.С. Eckardt et. al "Quasi-phase-matched 1.064-μm-pumped optical parametric oscillator in bulk periodically poled LiNbO. Optics letters. Vol. 20. Issue 1. Pp. 52-54. 1995").
3
opt
1,2
ТНz
2
Ниже приведены численные характеристики полезной модели. В качестве активного элемента 6 предлагаемой полезной модели использовались кристаллы ниобата лития с длинами L=2.0, 3.5, 5.0 и 7.5 см. Для каждого кристалла по всей длине при помощи внешнего электрического поля создавалась ПДС с периодами Λ=250, 114, 38 и 14 мкм соответственно. Сформированная ПДС позволяет скомпенсировать отстройку от фазового синхронизма в каждом из выбранных кристаллов. Подобная отстройка возникает из-за различия показателя преломления LiNbO в оптическом и терагерцовом диапазонах. Площадь поперечного сечения всех кристаллов одинакова и равна S=100 мкм. Мощность вводимого импульсного излучения для всех кристаллов одинакова Р=5 кВт. Рабочие длины волн лазеров (конструктивные элементы 4 и 5) равны λ=1.064, 1.096 мкм. В этом случае мощность терагерцового излучения составит Р≈2 Вт.
3
3
-3
На фиг. 2 приведены зависимости генерируемой терагерцовой частоты ω/2π от уровня поглощения α, полученные при приведенных выше длинах L=2.0, 3.5, 5.0 и 7.5 см и двух температурах активного элемента Т=20°С и Т=150°С (сплошные и штриховые кривые 11-14). Отношение генерируемой мощности к мощности накачки принято равным η=0.4⋅10. Перестройка частоты параметрического генератора возможна за счет изменения как длины активного элемента, так и величины поглощения. Более того, температурный нагрев активного элемента позволяет дополнительно перестраивать «сигнальную» частоту во всех четырех активных элементах с выбранными периодами. Так, при длине активного элемента L=5 см генерация возможна в ближнем ТГц диапазоне (кривая 13). Выбранная длина активного элемента L=5 см соответствует генерации в ближнем ТГц диапазоне (кривая 13) и отвечает частотам ω/2π=(0.45-5.48) ТГц. Увеличивая размеры кристалла (периодической структуры), можно выйти на генерацию в среднем (кривая 14) и даже дальнем ТГц диапазоне. Причем при одном и том же уровне поглощения для активных элементов с большими длинами перестройка частоты генерации при изменении температуры реализуется в большем частотном диапазоне.