ОПТИКО-ТЕРАГЕРЦОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С ЧЕРЕНКОВСКИМ ИЗЛУЧЕНИЕМ
OPTICAL-TERAHERTZ CONVERTER WITH CHERENKOV RADIATION

Изобретение относится к оптико-терагерцовым преобразователям с черенковским излучением и может быть использовано в качестве базового конструктивного узла в источниках терагерцового излучения для высокочувствительного оборудования спектроскопии, микроскопии и имиджинга.
3
3
Одним из методов генерации терагерцового излучения является преобразование ультракоротких, в частности фемтосекундных, лазерных импульсов в широкополосное терагерцовое излучение на основе явления оптического выпрямления в электрооптических (нелинейных) кристаллах. Кроме того, при облучении нелинейного кристалла сразу двумя импульсами большей длительности, например наносекундной, с близкими несущими частотами происходит генерация узкополосного терагецового излучения за счет эффекта генерации разностной частоты. Максимальная эффективность оптико-терагерцового преобразования (отношение сгенерированной терагерцовой мощности к падающей лазерной мощности) достигается при выполнении условия фазового синхронизма между волновыми векторами лазерной волны накачки и терагерцовой волны. Для ряда кристаллов с большим коэффициентом нелинейного преобразования, таких как LiNbO, LiTaO и др., синхронизм не может быть достигнут в направлении распространения лазерных импульсов накачки. Обойти данное ограничение можно, используя острую фокусировку лазерных импульсов накачки в размер, меньший длины терагерцовой волны, когда выполняются условия черенковского синхронизма. Терагерцовая генерация происходит под углом Черенкова к направлению распространения лазерных импульсов накачки, и излучение представляет собой расходящийся терагерцовый черенковский конус (см. статью на англ. яз. D.H. Auston «Subpicosecond electro-optic shock waves.» APPLIED PHISICS LETTERS, 1983, Vol. 43, p .713).
Данное направление активно развивается и обладает большими резервными возможностями совершенствования оптико-терагерцовых преобразователей и улучшения однородности их спектра излучения, что обусловлено следующей ситуацией в рассматриваемой области развития терагерцовой технологии.
В известных оптико-терагерцовых преобразователях в зависимости от толщины нелинейного кристалла сильно меняется изложенная выше эффективность оптико-терагерцового преобразования и характеристики спектра излучения. Причем при больших величинах (более сотни микрон) и очень малых величинах (порядка единиц микрон) толщины нелинейного кристалла однородность спектра излучения достигается, но при значительном уменьшении эффективности оптико-терагерцового преобразования и сужении терагерцового спектра излучения для толстых нелинейных кристаллов и при большом ограничении ввода лазерного излучения и, соответственно, при уменьшении выхода терагерцового излучения для очень тонких нелинейных кристаллов. При этом для толщин нелинейных кристаллов порядка десятков микрон наиболее характерен недостаток - наличие провала в терагерцовом спектре излучения, обусловленного деструктивной интерференцией терагерцовых волн.
3
3
Так известным аналогом заявляемого изобретения с толстым нелинейным кристаллом является оптико-терагерцовый преобразователь на основе эффекта Черенкова (схема устройства показана на фиг. 1 в статье на англ. яз. М. Theuer et al. «Efficient generation of Cherenkov-type terahertz radiation from a lithium niobate crystal with a silicon prism output coupler.» APPLED PHYSICS LETTERS, 2006, Vol. 88, p. 71122), состоящий из толстого кристалла LiNbO и кремниевой призмы. Из-за сильного поглощения терагерцового излучения в кристалле LiNbO выходить наружу будет терагерцовая волна, распространяющаяся только в сторону кремниевой призмы. Отсутствие деструктивной интерференции между терагерцовыми волнами приводит к однородному спектру излучения без провалов. Но в результате сильного дифракционного расплывания лазерные импульсы нельзя близко подвести к кремниевой призме на протяжении всей длины кристалла, что приводит к сильному затуханию терагерцового излучения и в итоге к малой эффективности оптико-терагерцового преобразования, а также к сужению терагерцового спектра излучения.
3,
3
3
Спектр оптико-терагерцового преобразователя с черенковским излучением с толщиной нелинейного кристалла порядка единиц микрон также не содержит провалов в терагерцовом спектре излучения. Недостатком такого преобразователя является значительное падение лазерной мощности, которая заводится в кристалл, и усложнение технической реализации такого преобразователя. Схема данного преобразователя показана на фиг. 2а в статье на англ. яз. K. Suizu et al. «Extremely frequency-widened terahertz wave generation using Cherenkov-type radiation.» OPTICS EXPRESS, 2009, Vol. 17, p. 6676. Такой усложненный преобразователь состоит из технологической подложки, пластины, изготовленной из допированного ионами оксида магния кристалла LiNbO подготовленной на указанной подложке (из материала чистого кристалла LiNbO) и срезанной поперек кристаллографической оси [010], толщиной 3,8 мкм, слоя ПЭТ (полиэтилентерефталата) толщиной 3,4 мкм и массива кремниевых призм. Линейно поляризованный наносекундный лазерный импульс, распространяющийся вдоль оси [100], фокусируется на торцевую поверхность указанной пластины и наводит в ней импульс нелинейной поляризации, которая излучает терагерцовое излучение. В результате малой толщины пластины LiNbO отсутствует деструктивная интерференция терагерцовых волн, выходящих в массив кремниевых призм напрямую и после отражения на нижней границе пластины, что устраняет провал в выходном терагерцовом спектре излучения. Но при этом серьезным недостатком этой конструкции служит малая доля ввода лазерного излучения накачки в пластину ≈ 6%.
Примерно такая же ситуация наблюдается в группе оптико-терагерцовых преобразователей с черенковским излучением с очень тонкими нелинейными кристаллами, описанных в следующих патентах: WO/2014/007386, G02F 1/35, 2014; US 8759779B2, G01J 5/02, G02F 1/39, G01J 3/10, 2014; ЕР 2657759А2, G02F 1/35, G02F 1/365, 2013 и US 8481945B2, G01J 5/02, 2013.
Следует ожидать проявления этого же недостатка в группе оптико-терагерцовых преобразователей с черенковским излучением, использующих те же физические принципы и описанных в патентах с очень тонкими нелинейными кристаллами: US 2013/0068971 А1, F21V 5/04, 2013 и US 8642984B2, G02F 1/39, G02F 1/00, 2014.
Кроме того, недостатком обеих групп приведенных оптико-терагерцовых преобразователей является значительное привлечение технических средств.
3
Увеличение толщины кристалла в оптико-терагерцовом преобразователе с чернковским излучением до десятков микрон позволяет создать волноводный слой для лазерных импульсов, ввести в него лазерное излучение с меньшими потерями в сравнении с очень тонкими нелинейными кристаллами и прижать область генерации терагерцового излучения к выходной призме на всей длине кристалла в сравнении с толстыми кристаллами. Доля ввода лазерного излучения в пластину LiNbO толщиной 20-40 мкм составляет более 60%. Однако недостатком данной схемы продолжает оставаться деструктивная интерференция между терагерцовыми волнами, которая приводит к появлению провалов в спектре излучения.
3
Примером такого оптико-терагерцового преобразователя является оптико-терагерцовый преобразователь с черенковским излучением, раскрытый в статье на англ. яз. M.I. Bakunov, Е.А. Mashkovich, M.V. Tsarev and S.D. Gorelov. «Efficient Cherenkov-type terahertz generation in Si-prism-LiNbO-slab structure pumped by nanojoule-level ultrashort laser pulses.» APPLIED PHYSICS LETTERS, 2012, Vol. 101, p. 151102, выбранный в качестве прототипа заявляемого преобразователя и содержащий преобразующую пластину, выполненную из анизотропного нелинейного кристалла, способного преобразовывать сфокусированные ультракороткие (фемтосекундные) лазерные импульсы, поступающие в пластину через ее торцевую поверхность, в терагерцовое излучение в режиме оптического выпрямления указанных лазерных импульсов с образованием черенковского конуса, и размещенную на выходе вырабатываемого терагерцового излучения оптическую призму, прозрачную в терагерцовом диапазоне частот и контактирующую одной из своих граней с указанной пластиной по всей лицевой поверхности пластины.
3
3
3
В указанной статье линейно поляризованные ультракороткие лазерные импульсы фокусируются на торцевую поверхность пластины LiNbO толщиной 35 мкм и возбуждают импульсы нелинейной поляризации, которые распространяется в пластине LiNbO и излучают широкополосное терагерцовое излучение в виде расходящегося конуса. Вывод терагерцового излучения осуществляется через приклеенную к пластине LiNbO призму из высокоомного кремния (схема устройства показана на фиг. 1 в указанной статье).
3
3
Недостатком прототипа является наличие провалов в спектре излучения связанных с деструктивной интерференцией волн, выходящих из пластины LiNbO напрямую в кремниевую призму и после отражения на нижней границе пластины LiNbO. Провал в спектре наблюдается на частоте ≈ 1,3 ТГц (см. в указанной статье фиг. 4 или фиг. 6b).
3
3
Наиболее распространенными в настоящее время являются оптико-терагерцовые преобразователи (см. предыдущие аналоги и прототип), использующие кристалл LiNbO в качестве генератора терагерцового излучения и кремниевую призму для вывода терагерцового излучения в свободное пространство, на примере которых раскрывается приведенная выше оценка уровня техники в области оптико-терагерцовых преобразователей. Указанный нелинейный кристалл и призма отвечают требованию, при котором групповой индекс преломления лазерных импульсов накачки в материале нелинейного кристалла меньше фазового индекса преломления терагерцового излучения в призме и затухание терагерцового излучения в призме - незначительно. Поляризация лазерных импульсов накачки параллельна кристаллографической оси [001] кристалла LiNbO.
3
Причем особенностью рассматриваемых оптико-терагерцовых преобразователей на кристаллах LiNbO является указанная выше ориентация поляризации лазерных импульсов накачки.
Технический результат заявляемого изобретения - создание оптико-терагерцового преобразователя лазерных импульсов в терагерцовое излучение с улучшенными спектральными характеристиками - отсутствием провала в спектре терагерцового излучения в результате устранения деструктивной интерференции за счет предлагаемой ориентации кристаллографических осей нелинейного кристалла по отношению к направлению распространения и направлению поляризации (от фемтосекундных до наносекундных) лазерных импульсов, обеспечивающей ортогональность вектора наведенной нелинейной поляризации по отношению к вектору напряженности электрического поля на одной из образующих терагерцового черенковского конуса, генерируемого вектором нелинейной поляризации, при расширенном интервале толщин нелинейного кристалла, включающем толщины (20-40 мкм), обеспечивающие повышение технологичности изготовления оптико-терагерцового преобразователя, и минимальном использовании технических средств.
Предлагаемый оптико-терагерцовый преобразователь расширяет арсенал приборных средств в области актуальной терагерцовой технологии.
Для достижения указанного технического результата в оптико-терагерцовом преобразователе с черенковским излучением, содержащем преобразующую пластину, выполненную из анизотропного нелинейного кристалла, способного преобразовывать сфокусированные лазерные импульсы, поступающие в пластину через ее торцевую поверхность, в терагерцовое излучение с образованием черенковского конуса, и размещенную на выходе вырабатываемого терагерцового излучения оптическую призму, прозрачную в терагерцовом диапазоне частот и контактирующую одной из своих граней с указанной пластиной по всей лицевой поверхности пластины, преобразующая пластина выполнена из упомянутого кристалла с соблюдением условия ориентации его кристаллографических осей по отношению к направлению распространения и направлению поляризации лазерных импульсов, обеспечивающего ортогональность вектора наведенной нелинейной поляризации по отношению к вектору напряженности электрического поля на одной из образующих терагерцового черенковского конуса, генерируемого вектором нелинейной поляризации, а оптическая призма расположена по отношению к преобразующей пластине противоположно указанной образующей терагерцового черенковского конуса.
3
В частном случае в оптико-терагерцовом преобразователе преобразующая пластина может быть выполнена из кристалла LiNbO с ориентацией кристаллографических осей: ось 001 перпендикулярна плоскости пластины, ось 010 параллельна направлению распространения фемтосекундных лазерных импульсов и ось 100 параллельна вектору поляризации фемтосекундных лазерных импульсов, и толщиной, выбираемой из интервала 20-40 мкм, а оптическая призма может быть выполнена из высокоомного кремния с углом между гранями указанной призмы, выбираемым из интервала 27-60° с предпочтительными подынтервалами 27-32° и 55-60°.
3
3
На фиг. 1 представлено схематическое изображение предлагаемого оптико-терагерцового преобразователя; на фиг. 2а - структура терагерцового черенковского излучения в кристалле LiNbO; на фиг. 2б - ход терагерцового излучения в пластине LiNbO и кремниевой призме; на фиг. 3 - сравниваемые спектры терагерцового излучения на выходе из кремниевой призмы для прототипа (пунктирная линия) и предлагаемого оптико-терагерцового преобразователя (сплошная линия).
1
1
1
1
1
1
1
1
1
2
2
1
Предлагаемый оптико-терагерцовый преобразователь с черенковским излучением содержит (см. фиг. 1): пластину 1 анизотропного нелинейного материала толщиной 20-40 мкм; призму 2 из материала прозрачного в терагерцовом диапазоне частот. Соединение призмы и пластины (место соединения грань ABCD) происходит при помощи глубокого оптического контакта или клея. Грани AADD, BBCC и BBCC оптически полированы.
3
В качестве нелинейного анизотропного материала может быть взят кристалл LiNbO с ориентацией кристаллографических осей: ось [001] перпендикулярна плоскости пластинки, ось [010] параллельна направлению распространения фемтосекундных лазерных импульсов и ось [100] параллельна вектору поляризации фемтосекундных лазерных импульсов, и толщиной, выбираемой из интервала 20-40 мкм, а оптическая призма выполнена из высокоомного кремния и с углом, выбираемым из интервала 27-60° с предпочтительными подынтервалами 27-32° и 55-60°.
Данная геометрия обеспечивает при работе предлагаемого преобразователя ортогональность вектора наведенной нелинейной поляризации и вектора напряженности электрического поля на одной из образующих терагерцового черенковского конуса, при этом оптическая призма 2 расположена по отношению к преобразующей пластине 1 противоположно указанной образующей терагерцового черенковского конуса.
Предлагаемый оптико-терагерцовый преобразователь работает следующим образом.
3
3
Линейно поляризованные ультракороткие лазерные импульсы фокусируются на торцевую поверхность пластины 1 (LiNbO) толщиной 20-40 мкм и возбуждают импульсы нелинейной поляризации, которая в виду указанной ориентации кристаллографических осей генерирует сильно ассиметричное терагерцовое излучение, направленное преимущественно в сторону расположения кремниевой призмы 2. Сгенерированное в пластине 1 терагерцовое излучение выходит в свободное пространство через кремниевую призму 2 практически без отражения на границе пластина 1 (LiNbO) - кремниевая призма 2. Специально подобранный угол призмы 2 минимизирует потери на выход терагерцового излучения в свободное пространство. 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.
Работоспособность предлагаемого опико-терагерцового преобразователя определяется также известным условием, при котором материалы пластины 1 и призмы 2 отвечают требованию, при котором групповой индекс преломления лазерных импульсов накачки в материале пластины 1 меньше фазового индекса преломления терагерцового излучения в материале призмы 2.
3
3
х
31
z
22
ij
3
22
13
NL
2
2
Подтверждением улучшения спектральных характеристик служит следующее расчетное обоснование для получения черенковского конуса в результате оптического выпрямления ультракоротких лазерных импульсов. В качестве нелинейного анизотропного материала рассмотрим LiNbO на фиг. 2а. Ультракороткий импульс от титан-сапфирового лазера с длиной волны 800 нм и длительностью 100 фс фокусируется в 30 мкм пластину LiNbO. Направление распространения лазерного импульса противоположно оси [010]. Поляризация лазерного импульса параллельна оси [100]. Для заданной ориентации кристаллографических осей ненулевые компоненты вектора нелинейной поляризации P: р=-2dE и p=2dE, где Е - амплитуда оптического поля и d - нелинейные коэффициенты второго порядка в кристалле LiNbO. Вектор нелинейной поляризации образует угол, равный β=arctan|d/d|=35,3° с перпендикуляром к направлению распространения лазерного импульса. Угол раскрытия черенковского конуса найдем из выражения:
o
е
g
3
NL
где ε и ε - обыкновенная и необыкновенная диэлектрическая постоянная и n - групповая скорость лазерного импульса в кристалле LiNbO. Вектор электрической индукции D параллелен образующим конуса. Из-за анизотропии кристалла вектор напряженности электрического поля Е повернут по отношению к D на угол 12,4°. Таким образом, угол между векторами P и Е (на одной из образующих конуса) будет близок к 90° и поэтому в этом направлении терагерцовое излучение практически не будет излучаться.
3
Математически условие ослабления терагерцового поля на одной из образующих черенковского конуса (см. ниже выражение 2) получено из решения уравнений Максвелла (см. например Сивухин Д.В. Общий курс физики. Учебное пособие: Для вузов. В 5 т. Т. III. Электричество. - 4-е изд., стереот. - М.: ФИЗМАТЛИТ; Изд-во МФТИ, 2004. - 656 с.) для безграничного кристалла LiNbO и будет выполняться в соответствии с выражением:
3
b
1
2
Основная часть терагерцового излучения при этом выходит через присоединенную к пластине 1 призму 2. Черенковский угол, который ≈ 21,7°, близок к углу Брюстера на границе пластина 1 (LiNbO) - кремниевая призма 2, который ≈ 28,3°, поэтому терагерцовое излучение выходит в кремниевую призму 2, практически без отражения на верхней границе пластины 1, что приводит к исчезновению многократных отражений в пластине 1. Подобрав угол α кремниевой призмы 2, угол падения терагерцового излучения на границе призма 2-воздух можно сделать близким к углу Брюстера (θ) ≈ 16,3°, что обеспечит максимальный вывод терагерцового излучения в свободное пространство. На фиг. 2б показаны оптимальные конфигурации призмы 2 при максимальном выводе (выходе) терагерцового излучения, когда острый угол α призмы 2 лежит в диапазоне углов α 27°-32° или α 55°-60° (ход терагерцового излучения и границы призмы 2 отмечены пунктиром), в связи с чем данные подынтервалы углов являются предпочтительными при выборе указанного угла призмы 2. Угол ∠B2A1B1 должен быть более 50°, чтобы все сгенерированное терагерцовое излучение вышло в свободное пространство.
3
Чтобы найти структуру терагерцового поля и спектр излучения, решим уравнения Максвелла для Фурье образов проекций электрического и магнитного поля на оси x, y, z (см. фиг. 2б) в трех однородных областях: кремниевая призма 2, пластина 1 (LiNbO) и воздух. Используя граничные условия непрерывности, согласуем полученные решения на границах областей. Возьмем обратное преобразование Фурье.
3
На фиг. 3 сплошной линией построен спектр излучения терагерцового излучения в свободное пространство на выходе из кремниевой призмы 2, пунктиром на той же фигуре представлен спектр терагерцового излучения для обычной ориентации кристаллографических осей кристалла LiNbO (см. фиг. 4b в указанной выше статье со сведениями о прототипе на англ. яз. авторов M.I. Bakunov, Е.А. Mashkovich, M.V. Tsarev and S.D. Gorelov). Из сравнения видно, что в спектре терагерцового излучения отсутствует провал.
Изложенный расчет распространяется и на широкий интервал толщин (в том числе и в случае очень тонких нелинейных кристаллов) пластины 1, изготовленной из материала группы анизотропных нелинейных кристаллов.
Улучшение терагерцового спектра излучения (повышение однородности) достигается и при реализации получения черенковского конуса в результате генерации разностных частот наносекундными лазерными импульсами с близкими несущими частотами, что подтверждается аналогичными расчетными доводами.
Таким образом изложенное выше обоснование (работающее и для других анизотропных нелинейных кристаллов) подтверждает улучшенные характеристики спектра терагерцового излучения 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.