Оптико-терагерцовый преобразователь
OPTO-TERAHERTZ CONVERTER

Изобретение относится к области оптического приборостроения, преимущественно к оптико-терагерцовому преобразователю, осуществляющему преобразование энергии оптических пучков фемтосекундных лазерных импульсов в энергию рабочего широкополосного терагерцового излучения.
3
Разработка и создание интенсивных и, в тоже время, компактных источников когерентного терагерцового излучения - одна из актуальных и широко обсуждаемых задач современной прикладной терагерцовой фотоники. В настоящее время наиболее эффективным методом «настольной» терагерцовой генерации является оптическое выпрямление фемтосекундных лазерных импульсов в кристаллах с квадратичной нелинейностью. Эффективность оптико-терагерцового преобразования при использовании данного метода в значительной степени определяется параметрами электрооптического (нелинейного) кристалла, такими как нелинейный коэффициент, показатель преломления в оптическом и терагерцовом диапазоне частот, коэффициент поглощения терагерцовых волн. Наиболее распространенным и широко используемым для терагерцовой генерации электрооптическим кристаллом является ниобат лития (LiNbO) благодаря высокому значению нелинейного коэффициента. Однако, из-за существенной разницы оптического группового показателя преломления и терагерцового фазового показателя преломления этого кристалла невозможно выполнение условия синхронизма между групповой скоростью оптического лазерного импульса и фазовой скоростью терагерцовых волн в направлении распространения лазерных импульсов накачки. Несмотря на это в статье D.H. Auston «Subpicosecond electro-optic shock waves.» APPLIED PHISICS LETTERS, 1983, Vol.43, p.713 было показано, что сфокусированный фемтосекундный лазерный импульс может генерировать в кристалле ниобата лития расходящийся конус терагерцовых волн с помощью черенковского механизма.
В последнее десятилетие значительное развитие получили схемы черенковской терагерцовой генерации.
Известен аналог заявляемого оптико-терагерцового преобразователя (см. статью M.I. Bakunov, Е.А. Mashkovich, M.V. Tsarev, S.D. Gorelov «Efficient Cherenkov-type terahertz generation in Si-prism-LiNbO3-slab structure pumped by nanojoule-level ultrashort laser pulses.» APPLIED PHYSICS LETTERS, 2012, Vol. 101, p. 151102), содержащий преобразующую пластину, выполненную из электрооптического кристалла, и одну размещенную на ее боковой грани призму из материала, прозрачного в терагерцовом диапазоне частот.
3
В указанной статье линейно поляризованные фемтосекундные лазерные импульсы фокусируются на торцевую грань преобразующей пластины, выполненной из кристалла ниобата лития (LiNbO) толщины 35 мкм. В ходе волноводного распространения в кристалле лазерный импульс вследствие оптического выпрямления индуцирует нелинейную поляризацию, которая распространяется с групповой скоростью оптического импульса и генерирует черенковский конус терагерцовых волн. Вывод генерируемого терагерцового излучения осуществляется с помощью высокоомной кремниевой призмы, контактирующей одной из своих граней с боковой поверхностью кристалла и прозрачной в терагерцовом диапазоне частот.
Недостатком аналога является наличие провалов в спектре излучения связанных с деструктивной интерференцией волн, выходящих из пластины LiNbO3 напрямую в кремниевую призму и после отражения на нижней границе пластины LiNbO3. Провал в спектре наблюдается на частоте ≈1,3 ТГц.
Известен аналог заявляемого изобретения (RU 2574518), который содержит преобразующую пластину, выполненную из анизотропного кристалла с квадратичной нелинейностью, и одной, размещенной на ее боковой грани, призмы из материала, прозрачного в терагерцовом диапазоне частот.
3
В указанном изобретении линейно поляризованные фемтосекундные лазерные импульсы фокусируются цилиндрической линзой (в линию) на торцевую грань преобразующей пластины, выполненной из кристалла ниоба-та лития (LiNbO) толщины 20-40 мкм и, также как в первом указанном аналоге, индуцируют импульсы нелинейной поляризации. Распространяющаяся в кристалле нелинейная поляризация генерирует черенковский клин терагерцовых волн.
Однако, в виду иной ориентации кристаллографических осей: ось [001] перпендикулярна плоскости пластины, ось [010] параллельна направлению распространения фемтосекундных лазерных импульсов и ось [100] параллельна вектору поляризации фемтосекундных лазерных импульсов, генерируемое терагерцовое излучение является сильно ассиметричным, направленным преимущественно в сторону кремниевой призмы. Временная форма импульсов при этом состоит из двух последовательных разнополярных всплесков амплитуды терагерцового поля, а спектральные характеристики оптико-терагерцового преобразователя улучшаются - не содержат провалов в генерируемом диапазоне терагерцовых частот.
Недостатком аналога является снижение эффективности оптико-терагерцового преобразования из-за указанного, не являющегося оптимальным, выбора ориентации кристаллографических осей электрооптического кристалла. Эффективность оптико-терагерцового преобразования напрямую связана с величиной эффективного нелинейного коэффициента, который в указанном изобретении ограничен ~40-50 пм/В. В то время как при наиболее оптимальном выборе ориентации кристаллографических осей эффективный нелинейный коэффициент может достигать величины 166 пм/В.
В качестве прототипа выбрана схема эффективной генерации широкополосного терагерцового излучения (см. S.B. Bodrov, М.I. Bakunov, М. Hangyo «Efficient Cherenkov emission of broadband terahertz radiation from an ultrashort laser pulse in a sandwich structure with nonlinear core.» JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, 2008, Vol. 104, p. 093105), в которой эффективная генерация широкополосного терагерцового излучения осуществляется с помощью фемтосекундного лазерного импульса, распространяющегося в плоской слоеной структуре, так называемой «сэндвич»-структуре. Структура состоит из тонкой нелинейной пластины, и призм, которые расположены по бокам пластины и сделаны из материала с низким терагерцовым поглощением. Фокусированный в линию лазерный импульс распространяется в пластине, как в волноводе, и испускает черенковский клин терагерцевых волн в боковые призмы. В статье приведена теория, которая описывает терагерцовую генерацию в таких «сэндвич»-структурах и расчетное пространственное распределение генерируемого терагерцового поля, его энергетический спектр и эффективность оптико-терагерцового преобразования. Разработанная теория предсказывает эффективность преобразования до нескольких процентов в слоеной структуре Si-LiNbO3-Si длиной 1 см и шириной 1 см с толщиной нелинейной пластины 20 мкм с накачкой титан-сапфировым лазером на 8,5 мкДж с длительностью импульса 100 фс.
Недостатком прототипа является разделение генерируемого терагерцового излучения на два неколлинеарно распространяющихся терагерцовых пучка вследствие черенковской геометрии структуры. В типичном эксперименте по генерации терагерцового излучения с помощью данного преобразователя используется лишь половина генерируемого излучения из какой-либо одной призмы, что приводит к потере половины рабочей терагерцовой энергии.
Создание оптической схемы по сведению двух терагерцовых пучков из двух призм представляет большую сложность в реализации (юстировке и согласовании оптических путей). При этом на элементах оптической схемы происходит заметная потеря терагерцовой энергии.
Техническим результатом, который достигается при осуществлении предлагаемого изобретения, является создание оптико-терагерцового преобразователя линейно поляризованных фемтосекундных лазерных импульсов в импульсное терагерцовое изучение с улучшенными характеристиками генерируемого излучения: (i) увеличенным рабочим выходом терагерцового излучения за счет сложения двух терагерцовых пучков, коллинеарно и согласованно распространяющихся в двух выводящих призмах; (ii) генерацией более равномерного спектра в результате устранения деструктивной интерференции за счет использования двух выводящих терагерцовое излучение призм; (iii) увеличенной апертурой терагерцового пучка, позволяющей в дальнейшем сильнее фокусировать терагерцовое излучение.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что предлагаемый оптико-терагерцовый преобразователь состоит из электрооптического кристалла, выполненного в виде тонкой пластины, и способного преобразовывать поступающие через его торцевую грань сфокусированные в линию фемтосекундные лазерные импульсы в терагерцовое излучение с помощью черенковского механизма, и двух оптических соединительных элементов, выполненных в виде треугольных призм, прозрачных в терагерцовом диапазоне частот, и размещенных на противоположных (боковых) гранях электрооптического кристалла с целью вывода генерируемого терагерцового излучения в свободное пространство. При этом сечение каждой из пары оптических призм представляет собой прямоугольный треугольник, один из катетов которого, контактирующий с боковой гранью электрооптического кристалла, расположен под острым углом к гипотенузе треугольника, являющейся внешней гранью оптической призмы. Причем оптические призмы выполнены таким образом, что со стороны входной торцевой грани пластины расположен острый угол треугольника (угол между гранью, контактирующей с пластиной, и внешней гранью), а со стороны выходной торцевой грани пластины - противолежащий этому острому углу другой катет прямоугольного треугольника, являющийся выходной гранью призмы. И острый угол выполнен такой величины, который обеспечивает полное внутреннее отражение от внешней грани оптической призмы прошедших в призму терагерцовых волн.
3
При этом тонкая пластина, преобразующая фемтосекундные лазерные импульсы в терагерцовое излучение, выполнена из кристалла LiNbO с такой ориентацией кристаллографических осей, где ось [001] лежит в плоскости, являющейся перпендикулярной к направлению распространения и параллельной вектору поляризации фемтосекундных лазерных импульсов, а так же являющейся параллельной граням электрооптического кристалла, находящимся в соприкосновении с гранями размещения катетов треугольных призм.
А каждая из пары оптических призм выполнена из высокоомного кремния с углом между гранями призмы 24°30'.
На фиг. 1 представлено схематическое изображение предлагаемого оптико-терагерцового преобразователя, на фиг. 2 - вид сбоку оптико-терагерцового преобразователя, где изображен ход терагерцового излучения в преобразующей пластине и кремниевых призмах (выполнено штриховой линией); на фиг. 3 - представлены моментальные снимки генерируемого в структуре терагерцового электрического поля в последовательные моменты времени, на фиг. 4 - построены спектральные плотности терагерцового излучения в сечении выходной грани преобразователя на различном удалении от преобразующей пластины.
1
1
1
1
1
1
2
2
3
3
1
2
2
1
3
3
Предлагаемый оптико-терагерцовый преобразователь состоит из (см. фиг. 1) электрооптического кристалла в форме пластины 1, двух оптических соединительных элементов, выполненных в виде треугольных оптических призм 2а и 2б из прозрачного в терагерцовом диапазоне частот материала, где местами соединения пластины 1 и призм 2а и 2б являются грани ADCB и ADCB; внешними гранями треугольных оптических призм являются: грань ADCB треугольной оптической призмы 2а и грань ADCB треугольной оптической призмы 2б, выходными гранями треугольных оптических призм являются: грань ВВСС треугольной оптической призмы 2а и грань ВВСС треугольной оптической призмы 2б.
1
1
1
1
1
1
1
1
3
3
1
2
2
1
1
1
2
2
3
3
Соединение призм и пластины (места соединения - грани ADCB, ADCB) происходит при помощи глубокого оптического контакта или клея. Грани AADD, BBCC, ВВСС, BBCC, ADCB, ADCB оптически полированы.
1
1
2
2
3
3
Данная геометрия обеспечивает при работе предлагаемого преобразователя выполнение условия полного внутреннего отражения на внешних гранях оптических призм ADCB, ADCB, а также отражение терагерцовых волн от этих граней в направлении распространения фемтосекундных лазерных импульсов.
1
1
1
1
1
1
1
1
2
2
1
3
3
1
2
2
1
3
3
Преобразующая пластина 1 выполнена из электрооптического кристалла, оптическая [001] ось которого лежит в плоскости этой пластины (обозначена 3 на фиг. 2), и которая ортогональна направлению распространения лазерных импульсов и параллельна их поляризации. Оптические призмы 2а и 2б выполнены таким образом, что со стороны входной торцевой грани AADD пластины 1 (см. фиг. 1) находятся острые углы призм: угол α между гранью ADCB призмы 2а, и ее внешней гранью ADCB, и угол α между гранью ADCB призмы 2б и ее внешней гранью ADCB, а со стороны выходных торцевых граней - противолежащие этим углам катеты ВВСС и ВССВ призм 2а и 2б.
3
1
В оптико-терагерцовом преобразователе преобразующая пластина 1 может быть выполнена из кристалла ниобата лития (LiNbO) с лежащей в плоскости пластины оптической [001] осью 3, ориентированной ортогонально направлению распространения лазерных импульсов и параллельно их поляризации; толщина кристалла выбирается из интервала 30-50 мкм. Оптические призмы могут быть выполнены из высокоомного кремния с углами α и α, равными 24°30' между примыкающими к преобразующей пластине 1 гранями и внешними гранями призм 2а и 2б, для выполнения условия полного внутреннего отражения терагерцовых волн.
Предлагаемый оптико-терагерцовый преобразователь работает следующим образом.
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
3
3
1
1
2
2
1
2
2
1
3
3
Сфокусированный на входную торцевую грань AADD пластины 1 линейно поляризованный фемтосекундный лазерный импульс 4 (см. фиг. 2) распространяется в пластине 1, как в волноводе, и индуцирует вследствие оптического выпрямления импульс нелинейной поляризации, который, распространяясь с групповой скоростью лазерного импульса, превышающей фазовую скорость терагерцовых волн, генерирует черенковский клин терагерцовых волн. Сгенерированное в пластине 1 терагерцовое излучение выводится в свободное пространство через оптические кремниевые призмы 2а и 2б. Лучевые траектории 5 терагерцовых волн показаны на фиг. 2 штриховыми линиями. Преломление терагерцовых волн на границах ADCB (ADCB) пластины 1 - кремниевые призм 2а (2б) происходит почти без отражения. Специально подобранный угол α (α) между примыкающей к пластине 1 гранью ADCB (ADCB) и внешней гранью ADCB (ADCB) призм обеспечивает полное внутреннее отражение падающей на внешнюю грань призмы 2а (2б) терагерцовой волны в направлении распространения лазерного импульса (6 - угол β полного внутреннего отражения указан на фиг. 2). Далее терагерцовые волны в каждой из призм 2а и 2б падают нормально на выходные, расположенные перпендикулярно пластине 1, грани ВВСС и ВССВ призм 2а и 2б.
1
2
2
1
3
3
В выходном сечении структуры - граней BBCC и ВССВ две терагерцовые волны из призм 2а и 2б складываются и далее распространяются, как одна терагерцовая волна 7 (см. фиг. 2). Согласованное сложение двух волн обуславливается симметрией структуры и единым источником.
Подтверждением технического результата заявляемого изобретения служит следующее расчетное обоснование.
3
1
1
2
Выберем кристалл ниобата лития (LiNbO) в качестве электрооптического материала, из которого выполнена преобразующая пластина 1 толщиной 30 мкм (см. фиг. 1). Рассмотрим импульс титан-сапфирового лазера с длиной волны 800 нм, длительностью 100 фс и пиковой интенсивностью 100 ГВт/см, фокусируемый на входную торцевую грань AADD преобразующей пластины 1 с толщиной 30 мкм и длиной 1 см. Оптическая [001] ось кристалла ориентирована в плоскости пластины 1 перпендикулярно направлению распространения лазерного импульса. Падающий лазерный импульс линейно поляризован, а вектор его поляризации сонаправлен с оптической осью кристалла.
2
В статье S.B. Bodrov, I.E. Ilyakov, B.V. Shishkin, M.I. Bakunov «Highly efficient Cherenkov-type terahertz generation by 2-μm wavelength ultrashort laser pulses in a prism-coupled LiNbO3 layer», OPTICS EXPRESS, 2019, Vol.27, P. 36059 проведено экспериментальное исследование эффективности оптико-терагерцового преобразования в зависимости от энергии лазерных импульсов длины волны накачки. Для рассматриваемого нами случая накачки кристалла ниобата лития с толщиной 30 мкм импульсами титан-сапфирового лазера с длиной волны 800 нм, пиковой интенсивностью 100 ГВт/см и длительностью 100 фс эффективность оптико-терагерцового преобразования оценивается в 0,3%, т.е. оптическая энергия 30 мкДж/см лазерного импульса накачки преобразуется в 90 нДж/см энергии терагерцового излучения.
В данной статье, как и в упомянутых ранее первом аналоге и прототипе, а также настоящем изобретении, выбрана оптимальная ориентация кристаллографических осей для максимизации оптико-терагерцового преобразования. Однако, в данном экспериментальном исследовании, как и в первом аналоге, использовалась структура, состоящая из преобразующей пластины и одной призмы, следовательно, около 5-10% терагерцовой энергии теряется из-за сильного поглощения в преобразующей пластине при отражении половины генерируемого излучения от нижней границы пластины.
Предлагаемый нами оптико-терагерцовый преобразователь лишен такого недостатка, а значит оценку величины рабочей генерируемой терагерцовой энергии можно увеличить на 5-10%, т.е. оптическая энергия 30 мкДж/см лазерного импульса накачки преобразуется в 100 нДж/см энергии терагерцового излучения.
1
2
Чтобы исследовать процесс терагерцовой генерации и формирование терагерцового поля в предлагаемой структуре было проведено численное моделирование методом конечных разностей во временной области (FDTD). С помощью разработанного численного кода были получены моментальные снимки терагерцового электрического поля в рассматриваемой структуре в последовательные моменты времени t, t соответственно, см. фиг. 3а, 3б. На фиг. 3а-б затемненная область представляет собой исследуемую структуру, состоящую из тонкой (толщины 30 мкм) преобразующей пластины 1 из кристалла ниобата лития и двух кремниевых призм 2а и 2б, выводящих генерируемые волны в свободное пространство.
1
1
1
2
2
3
3
1
2
2
1
3
3
На фиг. 3а представлен моментальный снимок терагерцового электрического поля в момент времени t, когда лазерный импульс накачки 4 находится в сечении z=7 мм, т.е. бежит внутри преобразующей пластины 1. Сгенерированное к этому моменту времени терагерцовое поле (обозначено 8-9 на фиг. 3а) практически полностью находится внутри кремниевых призм 2а и 2б и состоит из двух частей (волн) - черенковского клина терагерцовых волн 8 и испытавшей полное внутреннее отражение на внешней грани призмы терагерцовой волны 9. Терагерцовая волна представляет собой черенковский клин с углом раскрыва 41 градус (обозначена 8 на фиг. 3а) по отношению к пластине 1. В сечении z=4,5 мм терагерцовая волна черенковского клина испытывает полное внутреннее отражение на внешних гранях (ADCB и ADCB на фиг. 1) призм 2а и 2б. В результате, претерпевшая отражение волна 9 распространяется далее вдоль оси z, т.е. ее волновой фронт 9 параллелен выходным граням (BBCC и ВССВ на фиг. 1) призм 2а и 2б.
2
На фиг.3б изображен моментальный снимок поля в следующий момент времени t. К этому моменту лазерный импульс накачки уже вылетел из кристалла. Терагерцовая волна 10 (см. фиг.3б), испытавшая полное внутреннее отражение на внешней грани призм 2а(2б), пересекает (по нормали) выходную грань призм 2а(2б). Апертура терагерцовой волны на выходе из рассматриваемой структуры с пластиной 1 длины 1 см составляет 9 мм (см. фиг.3б).
2
2
3
3
На фиг. 4 построены спектральные плотности терагерцовых импульсов в выходном сечении структуры (грань ВССВ на фиг. 1) при z=10 мм на (см. фиг. 3) на различном удалении от преобразующей пластины 1: х=1,6 мм, 2,4 мм, 3,2 мм и 4 мм. Хорошо видно, что спектр генерируемого терагерцового излучения в поперечном направлении имеет однородный равномерный (без провалов) характер.
Таким образом, изложенное выше обоснование (работающее и для других анизотропных нелинейных кристаллов) подтверждает улучшенные характеристики терагерцового излучения (спектр, рабочий выход, поперечный размер пучка) на выходе предлагаемого преобразователя, а простота конструкции последнего минимизирует использование технических средств при его изготовлении в расширенном интервале толщин преобразующей пластины 1, включающем технологически выгодные толщины.