RU175819U1 - SOURCE OF NARROW-BAND THERAHZ RADIATION PRODUCED IN A LITHIUM NIOBAT CRYSTAL IN THE DIRECTION OF DISTRIBUTION OF EXCITING ULTRA-SHORT LASER PULSES - Google Patents
SOURCE OF NARROW-BAND THERAHZ RADIATION PRODUCED IN A LITHIUM NIOBAT CRYSTAL IN THE DIRECTION OF DISTRIBUTION OF EXCITING ULTRA-SHORT LASER PULSES Download PDFInfo
- Publication number
- RU175819U1 RU175819U1 RU2017109757U RU2017109757U RU175819U1 RU 175819 U1 RU175819 U1 RU 175819U1 RU 2017109757 U RU2017109757 U RU 2017109757U RU 2017109757 U RU2017109757 U RU 2017109757U RU 175819 U1 RU175819 U1 RU 175819U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- plate
- single crystal
- laser
- terahertz
- laser pulses
- Prior art date
Links
- 230000005855 radiation Effects 0.000 title claims abstract description 76
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 title description 2
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 title description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims abstract description 79
- GQYHUHYESMUTHG-UHFFFAOYSA-N lithium niobate Chemical compound [Li+].[O-][Nb](=O)=O GQYHUHYESMUTHG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 61
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 38
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims abstract description 34
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims abstract description 25
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 claims abstract description 10
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims abstract description 6
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 7
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 10
- 238000000034 method Methods 0.000 description 5
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 4
- 229910013641 LiNbO 3 Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 3
- PCTMTFRHKVHKIS-BMFZQQSSSA-N (1s,3r,4e,6e,8e,10e,12e,14e,16e,18s,19r,20r,21s,25r,27r,30r,31r,33s,35r,37s,38r)-3-[(2r,3s,4s,5s,6r)-4-amino-3,5-dihydroxy-6-methyloxan-2-yl]oxy-19,25,27,30,31,33,35,37-octahydroxy-18,20,21-trimethyl-23-oxo-22,39-dioxabicyclo[33.3.1]nonatriaconta-4,6,8,10 Chemical compound C1C=C2C[C@@H](OS(O)(=O)=O)CC[C@]2(C)[C@@H]2[C@@H]1[C@@H]1CC[C@H]([C@H](C)CCCC(C)C)[C@@]1(C)CC2.O[C@H]1[C@@H](N)[C@H](O)[C@@H](C)O[C@H]1O[C@H]1/C=C/C=C/C=C/C=C/C=C/C=C/C=C/[C@H](C)[C@@H](O)[C@@H](C)[C@H](C)OC(=O)C[C@H](O)C[C@H](O)CC[C@@H](O)[C@H](O)C[C@H](O)C[C@](O)(C[C@H](O)[C@H]2C(O)=O)O[C@H]2C1 PCTMTFRHKVHKIS-BMFZQQSSSA-N 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- SKJCKYVIQGBWTN-UHFFFAOYSA-N (4-hydroxyphenyl) methanesulfonate Chemical compound CS(=O)(=O)OC1=CC=C(O)C=C1 SKJCKYVIQGBWTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052691 Erbium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- UYAHIZSMUZPPFV-UHFFFAOYSA-N erbium Chemical compound [Er] UYAHIZSMUZPPFV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 1
- 238000000386 microscopy Methods 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 230000000644 propagated effect Effects 0.000 description 1
- 239000006100 radiation absorber Substances 0.000 description 1
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 1
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/35—Non-linear optics
- G02F1/353—Frequency conversion, i.e. wherein a light beam is generated with frequency components different from those of the incident light beams
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/35—Non-linear optics
- G02F1/355—Non-linear optics characterised by the materials used
- G02F1/3551—Crystals
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F2/00—Demodulating light; Transferring the modulation of modulated light; Frequency-changing of light
- G02F2/02—Frequency-changing of light, e.g. by quantum counters
Landscapes
- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
Abstract
Полезная модель относится к области оптического приборостроения и касается источника узкополосного терагерцового излучения. Источник включает в себя фемтосекундный лазер с линейно поляризованным импульсным излучением, оптико-терагерцовый преобразователь и прозрачный для терагерцового излучения поглотитель лазерного излучения. Оптико-терагерцовый преобразователь выполнен в виде пластины, сориентированной поверхностью одной из ее сторон с возможностью воздействия на нее лазерных импульсов и изготовленной из монокристалла ниобата лития с длиной прохождения лазерных импульсов в данном монокристалле, равной длине поглощения в нем терагерцового излучения. Кристаллографическая ось [100] монокристалла ниобата лития лежит в плоскости входной поверхности пластины и образует угол 45° с направлением вектора поляризации возбуждающего лазерного луча, а кристаллографическая ось [001] этого монокристалла образует с входной поверхностью пластины угол, выбираемый из интервала 62-75°. Технический результат заключается в повышении эффективности преобразования, увеличении соотношения сигнал/шум и сужении спектральной ширины линии излучения. 3 з.п. ф-лы. 5 ил.The utility model relates to the field of optical instrumentation and relates to a source of narrow-band terahertz radiation. The source includes a linearly polarized pulsed femtosecond laser, an optical terahertz converter, and a laser absorber transparent to terahertz radiation. An optical terahertz converter is made in the form of a plate oriented by the surface of one of its sides with the possibility of laser pulses acting on it and made of lithium niobate single crystal with a laser pulse propagation length in this single crystal equal to the absorption length of terahertz radiation in it. The crystallographic axis [100] of a lithium niobate single crystal lies in the plane of the input surface of the plate and forms an angle of 45 ° with the direction of the polarization vector of the exciting laser beam, and the crystallographic axis [001] of this single crystal forms an angle with the input surface of the plate from the interval 62-75 °. The technical result consists in increasing the conversion efficiency, increasing the signal-to-noise ratio and narrowing the spectral width of the radiation line. 3 s.p. f-ly. 5 ill.
Description
Полезная модель относится к источникам узкополосного терагерцового излучения и может быть использована для высокочувствительного оборудования спектроскопии, микроскопии и имиджинга.The utility model relates to sources of narrow-band terahertz radiation and can be used for highly sensitive equipment for spectroscopy, microscopy, and imaging.
Одна из самых распространенных техник генерации узкополосного терагерцового излучения, имеющая наиболее близкое отношение к заявляемому источнику терагерцового излучения, основана на оптическом выпрямлении фемтосекундных лазерных импульсов в электрооптических кристаллах.One of the most common techniques for generating narrow-band terahertz radiation, which is most closely related to the claimed terahertz radiation source, is based on the optical rectification of femtosecond laser pulses in electro-optical crystals.
В данной технике электрооптический кристалл облучают возбуждающими фемтосекундными лазерными импульсами, которые при распространении в электрооптическом кристалле наводят в нем нелинейную поляризацию, которая вырабатывает терагерцовое излучение (см. работу на английском языке автора G. Kh. Kitaeva «Terahertz generation by means of optical lasers» - LASER PHYS. LETT. 2008, v. 5, p. 559).In this technique, an electro-optical crystal is irradiated with exciting femtosecond laser pulses, which, when propagated in an electro-optical crystal, induce non-linear polarization in it, which produces terahertz radiation (see the work in English by G. Kh. Kitaeva “Terahertz generation by means of optical lasers” - LASER PHYS. LETT. 2008, v. 5, p. 559).
Источники основанные на данной технике состоят из фемтосекундного лазера, излучающего лазерные импульсы, оптико-терагерцового преобразователя на основе электрооптического кристалла и элемента для поглощения лазерного излучения и обладают следующими характеристиками: высокой частотой следования терагерцовых импульсов (обычно от десятков кГц до сотен МГц), что позволяет рассматривать динамику быстропротекающих процессов, узкой спектральной линией излучения, что позволяет исследовать спектральные свойства веществ на заданной частоте без влияния соседних частот и достаточно высокими энергетическими характеристики излучения.Sources based on this technique consist of a femtosecond laser emitting laser pulses, an optical terahertz converter based on an electro-optical crystal and an element for absorbing laser radiation and have the following characteristics: a high repetition rate of terahertz pulses (usually from tens of kHz to hundreds of MHz), which allows consider the dynamics of fast processes, a narrow spectral line of radiation, which allows us to study the spectral properties of substances at a given often e without affecting adjacent frequency and sufficiently high energy radiation characteristics.
В этих источниках в качестве оптико-терагерцового преобразователя используется наиболее распространенный кристалл ниобата лития (LiNbO3), который входит в ферроэлектрическую группу. Указанный кристалл обладает высоким порогом оптического разрушения ~1 ТВт/см2 и большим нелинейным коэффициентом. Так нелинейный коэффициент кристалла ниобата лития равен 168 пм/В, что в три раза превосходит нелинейный коэффициент кристалла теллурида цинка.In these sources, the most common crystal of lithium niobate (LiNbO 3 ), which is part of the ferroelectric group, is used as an optical terahertz converter. The specified crystal has a high threshold of optical destruction ~ 1 TW / cm 2 and a large nonlinear coefficient. Thus, the non-linear coefficient of a lithium niobate crystal is 168 pm / V, which is three times higher than the non-linear coefficient of a zinc telluride crystal.
Известные источники узкополосного терагерцового излучения основанные на оптическом выпрямлении фемтосекундных лазерных импульсов в кристалле ниобата лития образуют следующие группы аналогов предлагаемого источника узкополосного терагерцового излучения: (i) источники на основе наклонного фронта интенсивности, (ii) источники на основе пространственного и временного шейпирования и (iii) источники на основе периодически поляризованной структуры.Known sources of narrow-band terahertz radiation based on the optical rectification of femtosecond laser pulses in a lithium niobate crystal form the following groups of analogues of the proposed source of narrow-band terahertz radiation: (i) sources based on an inclined intensity front, (ii) sources based on spatial and temporal shaping and (iii) sources based on periodically polarized structure.
В первой группе (i) источников фронт интенсивности фемтосекундного лазерного импульса наклонен по отношению к фазовому фронту импульса, что приводит к выполнению условий фазового синхронизма в кристалле ниобата лития, т.е. равенству фазовой скорости терагерцовой волны и проекции групповой скорости лазерного импульса на направление распространения терагерцовой волны (см. статью на англ. яз. авторов J. Hebling et al. «Tunable THz pulse generation by optical rectification of ultrashort laser pulses with tilted pulse fronts» - APPL. PHYS. B. 2004, v. 78, p. 593). В указанной статье монокристалл ниобата лития выполненный в форме призмы облучают фемтосекундными лазерными импульсами с центральной длиной волны 800 нм и наклонным фронтом интенсивности. Причем, вектор поляризации возбуждающих импульсов параллелен кристаллографической оси [001] кристалла ниобата лития. В результате, например, генерировалось терагерцовое излучение на рабочей частоте 1 ТГц с шириной спектральной линии больше 300 ГГц. При использование полоскового волновода из кристалла ниобата лития ширина спектральной линии может быть сужена до 70 ГГц на рабочей частоте 0,2 ТГц (см. статью на англ. яз. авторов K.-H. Lin et al. «Generation of multicycle terahertz phonon-polariton waves in a planar waveguide by tilted optical pulse fronts» - APPL. PHYS. LETT. 2009, v. 95, p. 103304).In the first group (i) of sources, the intensity front of the femtosecond laser pulse is inclined with respect to the phase front of the pulse, which leads to the fulfillment of phase matching conditions in a lithium niobate crystal, i.e. equality of the phase velocity of the terahertz wave and the projection of the group velocity of the laser pulse on the direction of propagation of the terahertz wave (see the article in English by the authors J. Hebling et al. "Tunable THz pulse generation by optical rectification of ultrashort laser pulses with tilted pulse fronts" - APPL. PHYS. B. 2004, v. 78, p. 593). In this article, a lithium niobate single crystal made in the form of a prism is irradiated with femtosecond laser pulses with a central wavelength of 800 nm and an inclined intensity front. Moreover, the polarization vector of the exciting pulses is parallel to the crystallographic axis [001] of the lithium niobate crystal. As a result, for example, terahertz radiation was generated at an operating frequency of 1 THz with a spectral line width greater than 300 GHz. When using a strip waveguide from a lithium niobate crystal, the width of the spectral line can be narrowed to 70 GHz at an operating frequency of 0.2 THz (see the article in English by the authors K.-H. Lin et al. “Generation of multicycle terahertz phonon- polariton waves in a planar waveguide by tilted optical pulse fronts "- APPL. PHYS. LETT. 2009, v. 95, p. 103304).
Недостатком данной группы источников является большая ширина спектральной линии излучения связанная со слабой терагерцовой дисперсией кристалла ниобата лития.The disadvantage of this group of sources is the large width of the spectral line of radiation associated with weak terahertz dispersion of a lithium niobate crystal.
Во второй группе (ii) источников фемтосекундным лазерным импульсам придают специальную пространственную (см. статью на англ. яз. авторов Т. Feurer et al. typesetting of terahertz waveforms» - OPTICS LETT. 2004, v. 29, p. 1802) или временную форму (см. статью на англ. яз. авторов D.W. Ward et al. «Coherent control of phonon-polaritons in a terahertz resonator fabricated with femtosecond laser machining» - OPTICS LETT. 2004, v. 29, p. 2671). Так в первой статье было сгенерировано терагерцовое излучение на рабочей частоте 1,1 ТГц с шириной спектральной линии 1000 ГГц. Во второй статье на рабочей частоте 0,32 ТГц с шириной спектральной линии 20 ГГц. При этом вектор поляризации возбуждающих лазерных импульсов был параллелен кристаллографической оси кристалла [001] ниобата лития.In the second group (ii) of sources, femtosecond laser pulses are given a special spatial (see article in English by the authors T. Feurer et al. Typesetting of terahertz waveforms "- OPTICS LETT. 2004, v. 29, p. 1802) or temporary form (see the article in English by the authors of DW Ward et al. “Coherent control of phonon-polaritons in a terahertz resonator fabricated with femtosecond laser machining” - OPTICS LETT. 2004, v. 29, p. 2671). So in the first article, terahertz radiation was generated at an operating frequency of 1.1 THz with a spectral line width of 1000 GHz. In the second article, at an operating frequency of 0.32 THz with a spectral line width of 20 GHz. In this case, the polarization vector of the exciting laser pulses was parallel to the crystallographic axis of the lithium niobate crystal [001].
Недостатком источников является значительное привлечение технических средств и относительно (предлагаемой в настоящем описании полезной модели) широкая спектральная линия излучения.The disadvantage of sources is a significant involvement of technical means and relatively (proposed in the present description of the utility model) wide spectral emission line.
В третьей группе (iii) источников оптико-терагерцовый преобразователь выполнен в виде периодической структуры из тонких монокристаллических пластин ниобата лития, у которых направление кристаллографической оси [001] периодически меняется. Так в работе на англ. яз. авторов Y.-S. Lee et al. ((Generation of narrow-band terahertz radiation via optical rectification of femtosecond pulses in periodically poled lithium niobate» - APPL. PHYS. LETT. 2000, v. 76, p. 2505 в периодически поляризованной структуре из пластин монокристалла ниобата лития было сгенерировано терагерцовое излучение на рабочей частоте 1,7 ТГц с шириной спектральной линии 110 ГГц. Оптимизация длительности возбуждающего лазерного импульса позволяет достичь ширины спектральной линии 20 ГГц на рабочей частоте 0,5 ТГц (см. работу на англ. яз. авторов S. Carbajo et al. «Efficient narrowband terahertz generation in cryogenically cooled periodically poled lithium niobate» - OPTICS LETT. 2015, v. 40, p. 5765). Поляризация лазерных импульсов была параллельна кристаллографической оси [001] монокристаллических пластин ниобата лития.In the third group (iii) of sources, an optical terahertz converter is made in the form of a periodic structure of thin single-crystal lithium niobate plates, in which the direction of the crystallographic axis [001] periodically changes. So in work in English. lang authors Y.-S. Lee et al. ((Generation of narrow-band terahertz radiation via optical rectification of femtosecond pulses in periodically poled lithium niobate ”- APPL. PHYS. LETT. 2000, v. 76, p. 2505 in the periodically polarized structure of lithium niobate single crystal plates terahertz radiation was generated at an operating frequency of 1.7 THz with a spectral line width of 110 GHz. Optimization of the duration of an exciting laser pulse allows us to achieve a spectral line width of 20 GHz at an operating frequency of 0.5 THz (see the work in English by S. Carbajo et al. " Efficient narrowband terahertz generation in cryogenically cooled periodically poled lithium niobate "- OPTICS LETT. 2015, v. 40, p. 5765). Polarization laser pulses tion parallel to the crystallographic [001] axis of single crystal wafers of lithium niobate.
Недостатком источников является малая входная апертура, трудоемкий процесс изготовления, низкие прочностные показатели и относительно (предлагаемой в настоящем описании полезной модели) широкая спектральная линия излучения.The disadvantage of the sources is a small input aperture, a labor-intensive manufacturing process, low strength parameters, and a relatively (proposed in the present description of the utility model) wide spectral emission line.
В связи с тем, что физический механизм, обеспечивающий работоспособность предлагаемого источника узкополосного терагерцового излучения, основан на оптическом выпрямлении за счет нелинейного смешения спектральных компонент обыкновенной и необыкновенной волн, образованных после преломления возбуждающего лазерного луча на входной поверхности пластины монокристалла ниобата лития в условиях образования в этой пластине наведенной нелинейной поляризации с переменной полярностью, и выходит за рамки принципа действия источников терагерцового излучения, указанных в приведенных выше трех группах аналогов. Т.к. сравнение возможностей терагерцового излучения в них и в заявляемом источнике не корректно из-за базовых различий методов генерации узкополосного терагецового излучения (особенности физического механизма генерации узкополосного излучения с помощью предлагаемого источника см. ниже) в настоящем описании полезной модели выбрано раскрытие сущности предлагаемого источника терагерцового излучения в формуле полезной модели без прототипа.Due to the fact that the physical mechanism ensuring the operability of the proposed source of narrow-band terahertz radiation is based on optical rectification due to nonlinear mixing of the spectral components of the ordinary and extraordinary waves formed after refraction of the exciting laser beam on the input surface of the plate of a lithium niobate single crystal under conditions of formation of lithium niobate single crystal plate induced non-linear polarization with variable polarity, and goes beyond the principle of action of teraher sources ovogo radiation mentioned in the above three groups analogs. Because the comparison of the possibilities of terahertz radiation in them and in the claimed source is not correct due to the basic differences in the methods for generating narrow-band terahertz radiation (for the specific features of the physical mechanism for generating narrow-band radiation using the proposed source, see below), the disclosure of the essence of the proposed terahertz radiation source in utility model formula without prototype.
Технический результат от использования предлагаемой полезной модели - разработка источника узкополосного терагерцового излучения, вырабатываемого в монокристалле ниобата лития в направлении распространения возбуждающих ультракоротких лазерных импульсов, в интервале технологически допустимых толщин указанного монокристалла, с эффективностью оптико-терагерцового преобразования (не менее 10-5), соответствующей оптимальным требованиям соотношения сигнал/шум, при суженной спектральной ширине линии излучения и повышенной технологичности изготовления указанного источника за счет предлагаемых структуры и состава этого источника.The technical result from the use of the proposed utility model is the development of a source of narrow-band terahertz radiation generated in a lithium niobate single crystal in the direction of propagation of exciting ultrashort laser pulses in the range of technologically permissible thicknesses of this single crystal, with an optical terahertz conversion efficiency (not less than 10 -5 ) corresponding to optimal requirements for signal-to-noise ratio, with a narrowed spectral width of the emission line and high technological The manufacture of the specified source due to the proposed structure and composition of this source.
Кроме того, предлагаемый источник расширяет перспективный арсенал аппаратного обеспечения актуального и востребованного узкополосного терагецового излучения.In addition, the proposed source expands the promising arsenal of hardware for current and sought-after narrow-band terahertz radiation.
Для достижения указанного технического результата предлагается источник узкополосного терагерцового излучения, содержащий фемтосекундный лазер с линейно поляризованным импульсным излучением, оптико-терагерцовый преобразователь, выполненный в виде пластины, сориентированной поверхностью одной из ее сторон с возможностью воздействия на нее лазерных импульсов и изготовленной из монокристалла ниобата лития с длиной прохождения лазерных импульсов в данном монокристалле, равной длине поглощения в нем терагерцового излучения на рабочей частоте для обеспечения в направлении распространения лазерных импульсов терагерцового выхода с повышенной узкополосностью в результате оптического выпрямления лазерных импульсов за счет нелинейного смешения спектральных компонент обыкновенной и необыкновенной волн, образованных после преломления возбуждающего лазерного луча на входной поверхности упомянутой пластины в условиях образования в монокристалле ниобата лития наведенной нелинейной поляризации с переменной полярностью, и прозрачный для терагерцового излучения поглотитель лазерного излучения, установленный после выходной поверхности упомянутой пластины.To achieve the technical result, a narrow-band terahertz radiation source is proposed, comprising a femtosecond laser with linearly polarized pulsed radiation, an optical terahertz converter made in the form of a plate oriented by the surface of one of its sides with the possibility of laser pulses acting on it and made of lithium niobate single crystal with the length of the laser pulses in a given single crystal, equal to the absorption length of terahertz radiation in it at the working frequency to ensure a terahertz output with increased narrowband in the direction of propagation of the laser pulses as a result of optical rectification of the laser pulses due to nonlinear mixing of the spectral components of the ordinary and extraordinary waves generated after refraction of the exciting laser beam on the input surface of the plate under conditions of formation of induced lithium niobate in a single crystal non-linear polarization with variable polarity, and transparent for terahertz radiation a laser radiation wearer installed after the exit surface of said plate.
Причем кристаллографическая ось [100] монокристалла ниобата лития лежит в плоскости входной поверхности пластины и образует угол 45° с направлением вектора поляризации возбуждающего лазерного луча, а кристаллографическая ось [001] этого монокристалла образует с входной поверхностью пластины угол, выбираемый из интервала 62-75°.Moreover, the crystallographic axis [100] of a lithium niobate single crystal lies in the plane of the input surface of the plate and forms an angle of 45 ° with the direction of the polarization vector of the exciting laser beam, and the crystallographic axis [001] of this single crystal forms an angle with the input surface of the plate, selected from the interval 62-75 ° .
В частных случаях в предлагаемом источникеIn particular cases in the proposed source
для выработки терагерцового излучения с рабочей частотой 0,37 ТГц и шириной спектральной линии 6,7 ГГц при эффективности 1,9×105 в направлении распространения возбуждающих линейно поляризованных фемтосекундных лазерных импульсов с центральной длиной волны 1050 нм и длительностью 450 фс, пластина оптико-терагерцового преобразователя сориентирована поверхностью одной из ее сторон нормально к направлению распространения воздействующих на нее лазерных импульсов и изготовлена из монокристалла ниобата лития с линейным размером, задающим длину прохождения в нем указанных лазерных импульсов, равным Эмм, с кристаллографической осью [100], лежащей в плоскости входной поверхности указанной пластины и образующей угол 45° с направлением вектора поляризации возбуждающего лазерного луча, и с кристаллографической осью [001], направленной под углом 75° к входной поверхности этой же пластины, а поглотитель лазерного излучения выполнен в виде пластины, изготовленной из высокоомного кремния;to generate terahertz radiation with an operating frequency of 0.37 THz and a spectral line width of 6.7 GHz with an efficiency of 1.9 × 10 5 in the direction of propagation of exciting linearly polarized femtosecond laser pulses with a central wavelength of 1050 nm and a duration of 450 fs, an optical plate the terahertz converter is oriented normally by the surface of one of its sides to the direction of propagation of the laser pulses acting on it and is made of a lithium niobate single crystal with a linear size specifying the length n the passage of the indicated laser pulses in it, equal to Emm, with the crystallographic axis [100] lying in the plane of the input surface of the indicated plate and forming an angle of 45 ° with the direction of the polarization vector of the exciting laser beam, and with the crystallographic axis [001] directed at an angle of 75 ° to the input surface of the same plate, and the laser absorber is made in the form of a plate made of high resistance silicon;
для выработки терагерцового излучения с рабочей частотой 0,5 ТГц и шириной спектральной линии 11,6 ГГц при эффективности 1,7×105 в направлении распространения возбуждающих линейно поляризованных фемтосекундных лазерных импульсов с центральной длиной волны 1050 нм и длительностью 350 фс, пластина оптико-терагерцового преобразователя сориентирована поверхностью одной из ее сторон нормально к направлению распространения воздействующих на нее лазерных импульсов и изготовлена из монокристалла ниобата лития с линейным размером, задающим длину прохождения в нем указанных лазерных импульсов, равным 5 мм, с кристаллографической осью [100], лежащей в плоскости входной поверхности указанной пластины и образующей угол 45° с направлением вектора поляризации возбуждающего лазерного луча, и с кристаллографической осью [001], направленной под углом 72,5° к входной поверхности этой же пластины, а поглотитель лазерного излучения выполнен в виде пластины, изготовленной из высокоомного кремния;for generating terahertz radiation with an operating frequency of 0.5 THz and a spectral line width of 11.6 GHz with an efficiency of 1.7 × 10 5 in the direction of propagation of exciting linearly polarized femtosecond laser pulses with a central wavelength of 1050 nm and a duration of 350 fs, an optical plate the terahertz converter is oriented normally by the surface of one of its sides to the direction of propagation of the laser pulses acting on it and is made of a lithium niobate single crystal with a linear size specifying the length n the passage of the indicated laser pulses equal to 5 mm in it, with the crystallographic axis [100] lying in the plane of the input surface of the indicated plate and forming an angle of 45 ° with the direction of the polarization vector of the exciting laser beam, and with the crystallographic axis [001] directed at an angle of 72 , 5 ° to the input surface of the same plate, and the laser absorber is made in the form of a plate made of high-resistance silicon;
для выработки терагерцового излучения с рабочей частотой 1,2 ТГц и шириной спектральной линии 64 ГГц при эффективности 1×105 в направлении распространения возбуждающих линейно поляризованных фемтосекундных лазерных импульсов с центральной длиной волны 1050 нм и длительностью 140 фс, пластина оптико-терагерцового преобразователя сориентирована поверхностью одной из ее сторон нормально к направлению распространения воздействующих на нее лазерных импульсов и изготовлена из монокристалла ниобата лития с линейным размером, задающим длину прохождения в нем указанных лазерных импульсов, равным 0,8 мм, с кристаллографической осью [100], лежащей в плоскости входной поверхности указанной пластины и образующей угол 45° с направлением вектора поляризации возбуждающего лазерного луча, и с кристаллографической осью [001], направленной под углом 62° к входной поверхности этой же пластины, а поглотитель лазерного излучения выполнен в виде пластины, изготовленной из высокоомного кремния.to generate terahertz radiation with an operating frequency of 1.2 THz and a spectral line width of 64 GHz with an efficiency of 1 × 10 5 in the direction of propagation of exciting linearly polarized femtosecond laser pulses with a central wavelength of 1050 nm and a duration of 140 fs, the plate of the terahertz converter is oriented by the surface one of its sides is normal to the direction of propagation of the laser pulses acting on it and is made of a lithium niobate single crystal with a linear size that specifies the length of the travel of the indicated laser pulses equal to 0.8 mm, with a crystallographic axis [100] lying in the plane of the input surface of the specified plate and forming an angle of 45 ° with the direction of the polarization vector of the exciting laser beam, and with the crystallographic axis [001] directed under angle of 62 ° to the input surface of the same plate, and the laser absorber is made in the form of a plate made of high-resistance silicon.
Известный источник узкополосного терагерцового излучения на основе генерации разностной частоты при облучении монокристалла ниобата лития двумя лазерными импульсами наносекундной длительности с близкими частотами (см. работу на англ. яз. авторов Т. Akiba «Terahertz wave generation using type II phase matching polarization combination via difference frequency generation with LiNbO3» - JAP. J. APPL. PHYS. 2015, v. 54, p. 062202), в состав которого входят два наносекундных импульсных лазера и оптико-терагерцовый преобразователь, выполненный на основе монокристалла ниобата лития (в котором в виду относительно большой длительности лазерного импульса нельзя достичь большой оптической интенсивности, что влияет на эффективность оптико-терагерцового преобразования, которая составляет величину ~10-9) не противоречит новизне предлагаемого источника узкополосного терагерцового излучения, т.к. в этом известном источнике узкополосного терагерцового излучения используются иные источники лазерного излучения в сочетании с монокристаллом ниобата лития, функционирующем в качестве оптико-терагерцового преобразователя на основе генерации разностной частоты, иной в сравнении с генерацией узкополосного терагерцового излучения в предлагаемом источнике, основанной на оптическом выпрямлении.Known source of narrow-band terahertz radiation based on the difference frequency generation upon irradiation of a lithium niobate single crystal with two laser pulses of nanosecond duration with close frequencies (see T. Akiba's work in English by “Terahertz wave generation using type II phase matching polarization combination via difference frequency generation with LiNbO 3 "- JAP. J. APPL. PHYS. 2015, v. 54, p. 062202), which consists of two nanosecond pulsed lasers and an optical terahertz converter based on a lithium niobate single crystal (in which relatively large duration of the laser pulse can not achieve a high optical intensity, which affects the efficiency of optical-terahertz conversion, which is ~ 10 -9) is consistent with the proposed novelty narrowband terahertz radiation source, since this known source of narrow-band terahertz radiation uses other sources of laser radiation in combination with a lithium niobate single crystal, which functions as an optical terahertz converter based on the difference frequency generation, different in comparison with the generation of narrow-band terahertz radiation in the proposed source based on optical rectification.
На фиг. 1а схематически показан предлагаемый источник узкополосного терагерцового излучения; на фиг. 1б - оптико-терагерцовый преобразователь в составе источника на фиг. 1а; на фиг. 2 - схема облучения фемтоскундным лазерным импульсом монокристалла ниобата лития при функционировании предлагаемого источника; на фиг. 3 - зависимость рабочей частоты предлагаемого источника от угла, образуемого кристаллографической осью [001] монокристалла ниобата лития, из которого выполнена пластина оптико-терагерцового преобразователя, с ее входной поверхностью; на фиг. 4 - нормированная спектральная плотность мощности терагерцового излучения предлагаемого источника; на фиг 5а - зависимость длины поглощения терагерцового излучения в монокристалле ниобата лития от рабочей частоты предлагаемого источника; на фиг. 5б - зависимость эффективности оптико-терагерцового преобразования и оптимальной длительности лазерного импульса от угла, образуемого кристаллографической осью [001] монокристалла ниобата лития, из которого выполнена пластина оптико-терагерцового преобразователя, с ее входной поверхностью.In FIG. 1a schematically shows the proposed narrowband terahertz radiation source; in FIG. 1b is an optical terahertz converter as a part of the source in FIG. 1a; in FIG. 2 is a diagram of a femtosecond laser pulse irradiation of a lithium niobate single crystal during operation of the proposed source; in FIG. 3 - dependence of the operating frequency of the proposed source on the angle formed by the crystallographic axis [001] of the lithium niobate single crystal from which the plate of the terahertz converter is made, with its input surface; in FIG. 4 - normalized spectral power density of terahertz radiation of the proposed source; on figa - the dependence of the absorption length of terahertz radiation in a single crystal of lithium niobate on the operating frequency of the proposed source; in FIG. 5b shows the dependence of the optical terahertz conversion efficiency and the optimal laser pulse duration on the angle formed by the crystallographic axis [001] of the lithium niobate single crystal from which the plate of the terahertz converter is made with its input surface.
Предлагаемый источник терагерцового излучения содержит (см. фиг. 1а): фемтосекундный лазер 1, поглотитель лазерного излучения 2, выполненный в виде пластины, изготовленной из высокоомного кремния, и оптико-терагерцовый преобразователь, выполненный в виде пластины 3, изготовленной из монокристалла ниобата лития. Поверхности ABCD и A1B1C1D1 пластины 3 монокристалла ниобата лития оптико-терагерцового преобразователя оптически полированы (см. рис. 1б).The proposed terahertz radiation source contains (see Fig. 1a): a
В примерах выполнения предлагаемого источника узкополосного терагерцового излучения для выработки терагерцового излучения с рабочей частотой 0,37 ТГц, 0,5 ТГц и 1,2 ТГц и шириной спектральной линии 6,7 ГГц, 11,6 ГГц и 64 ГГц при эффективности 1,9×10-5, 1,7×10-5 и 1×10-5 в направлении распространения линейно поляризованных возбуждающих фемтосекундных лазерных импульсов с центральной длиной волны 1050 нм и длительностью 450 фс, 350 фс и 140 фс, пластина 3 оптико-терагерцового преобразователя сориентирована своей входной поверхностью нормально к направлению распространения воздействующих на нее лазерных импульсов и изготовлена из монокристалла ниобата лития, имеющего линейный размер, задающий длину прохождения в нем указанных лазерных импульсов, равный 9 мм, 5 мм и 0,8 мм, с кристаллографической осью [100] монокристалла ниобата лития, лежащей в плоскости входной поверхности пластины 3 и образующей угол 45° с направлением вектора поляризации возбуждающего лазерного луча, и с кристаллографической осью [001] этого монокристалла, направленной под углом θ=75°, 72,5° и 62° к входной поверхности этой же пластины (см. фиг. 1а и 2).In the examples of the proposed source of narrow-band terahertz radiation for generating terahertz radiation with an operating frequency of 0.37 THz, 0.5 THz and 1.2 THz and a spectral line width of 6.7 GHz, 11.6 GHz and 64 GHz with an efficiency of 1.9 × 10 -5 , 1.7 × 10 -5 and 1 × 10 -5 in the direction of propagation of linearly polarized exciting femtosecond laser pulses with a central wavelength of 1050 nm and a duration of 450 fs, 350 fs and 140 fs,
Предлагаемый источник терагерцового излучения работает следующим образом.The proposed source of terahertz radiation works as follows.
Линейно поляризованные фемтосекундные лазерные импульсы от фемтосекундного лазера 1 падают на входную поверхность ABCD пластины 3 монокристалла ниобата лития оптико-терагерцового преобразователя (см. фиг 1б и 2), причем монокристалл ниобата лития сориентирован таким образом, что вектор поляризации возбуждающего луча лазерного импульса образует угол 45° с кристаллографической осью [100], лежащей в плоскости входной поверхности указанной пластины, а кристаллографическая ось [001] этого же монокристалла направлена под углом θ, выбираемым интервала 62°-75°.Linearly polarized femtosecond laser pulses from the
После вхождения в монокристалл ниобата лития лазерный импульс разделяется на суперпозицию импульсов обыкновенной и необыкновенной волны (см. фиг. 1а и 2). В результате нелинейного смешения спектральных компонент волн в монокристалле ниобата лития наводится нелинейная поляризация, которая одновременно излучает терагерцовое излучение в направлении распространения лазерных импульсов и в направлении, обратном указанному распространению, с преобладанием эффективности излучения в направлении распространения лазерных импульсов. После выхода из грани A1B1C1D1 пластины 3 указанное преобладающее терагерцовое излучение проходит через поглотитель лазерного излучения 2 с минимальными потерями и выводится в свободное пространство для рабочего использования. При этом лазерное излучение полностью поглощается поглотителем 2.After entering the single crystal of lithium niobate, the laser pulse is divided into a superposition of pulses of ordinary and extraordinary waves (see Fig. 1A and 2). As a result of nonlinear mixing of the spectral components of the waves in a single crystal of lithium niobate, nonlinear polarization is induced, which simultaneously emits terahertz radiation in the direction of propagation of the laser pulses and in the direction opposite to the specified propagation, with a predominance of radiation efficiency in the direction of propagation of laser pulses. After leaving the face A 1 B 1 C 1 D 1 of the plate 3, the indicated predominant terahertz radiation passes through the laser radiation absorber 2 with minimal losses and is displayed in free space for working use. In this case, the laser radiation is completely absorbed by the
Раскрытию физического механизма, обеспечивающего работоспособность предлагаемого источника узкополосного терагерцового излучения, вырабатываемого в монокристалле ниобата лития в направлении распространения возбуждающих ультракоротких лазерных импульсов, служит следующее физико-расчетное обоснование.The following physical and calculated justification serves to disclose the physical mechanism that ensures the operability of the proposed narrow-band terahertz radiation source generated in a lithium niobate single crystal in the direction of propagation of exciting ultrashort laser pulses.
В качестве фемтосекундного лазера 1 рассмотрим эрбиевый лазер с центральной длиной волны 1,05 мкм, импульсы которого поступают (под углом 90°) на входную поверхность пластины 3 монокристалла ниобата лития (см. фиг. 2.). Импульсы распространяются вдоль оси х, вектор поляризации которых образуют угол 45° с кристаллографической осью [100] монокристалла ниобата лития.As a
Рассмотрим одномерную модель с гауссовой огибающей напряженности электрического поля - электрическое поле лазерного импульса считается симметричным по отношению к осям у, z и на входе в пластину напряженность электрического поля имеет вид следующей формулыWe consider a one-dimensional model with a Gaussian envelope of the electric field strength - the electric field of the laser pulse is considered symmetrical with respect to the y, z axes, and at the entrance to the plate, the electric field strength has the form of the following formula
ω0=2π/сλ,ω 0 = 2π / sλ,
где Е0 - амплитуда напряженности возбуждающего электрического поля лазерного импульса,where E 0 is the amplitude of the intensity of the exciting electric field of the laser pulse,
λ - центральная длина волны возбуждающего лазерного импульса,λ is the central wavelength of the exciting laser pulse,
с - скорость света в вакууме;c is the speed of light in vacuum;
τ - длительность возбуждающего лазерного импульса.τ is the duration of the exciting laser pulse.
При преломлении на входной границе пластины 3 лазерный импульс разделяется на суперпозицию импульсов обыкновенной и необыкновенной волн.When refracting at the input boundary of the
Выбор указанного угла 45° с кристаллографической осью [100] монокристалла ниобата лития определился в виду равенства амплитуд импульсов указанных обыкновенной и необыкновенной волн, что обеспечивает наибольшее значение нелинейной поляризации и, следовательно, связанной с ней эффективности оптико-терагерцового преобразования (которая является первой составной частью - вкладом в эффективность искомого оптико-терагерцового преобразования, не менее 10-5, соответствующую оптимальным требованиям соотношения сигнал/шум и складывающуюся из этой первой части и из второй составной части, обусловленной предлагаемым интервалом угла θ в связи с излагаемым ниже обоснованием).The choice of the indicated angle of 45 ° with the crystallographic axis [100] of the lithium niobate single crystal was determined in view of the equality of the amplitudes of the pulses of the indicated ordinary and extraordinary waves, which ensures the highest value of nonlinear polarization and, therefore, the associated efficiency of the optical terahertz conversion (which is the first component - a contribution to the efficiency of the desired optical terahertz conversion, not less than 10 -5 , corresponding to the optimal requirements of the signal-to-noise ratio and consisting of of the first part and from the second component, due to the proposed interval of the angle θ in connection with the rationale described below).
В результате нелинейного смешивания спектральных компонент данных волн возникает нелинейная поляризация, которая может быть записана в виде следующей формулыAs a result of nonlinear mixing of the spectral components of these waves, a nonlinear polarization occurs, which can be written as the following formula
где ξ=t-n'x/с,
Из формулы (2) следует, что наведенная в монокристалле ниобата лития нелинейная поляризация знакопеременна с периодом λ/Δn.It follows from formula (2) that the nonlinear polarization induced in a single crystal of lithium niobate is alternating with a period of λ / Δn.
Для нахождения спектральной плотности мощности терагерцового излучения решим волновое уравнение в Фурье пространстве с источником в виде нелинейной поляризации (см. формулу 2) в трех однородных областях: полупространство х<0, монокристалл ниобата лития и полупространство x>d, где d - толщина указанного монокристалла, равная длине прохождения возбуждающих ультракоротких лазерных импульсов в данном монокристалле. После чего возьмем обратное преобразование Фурье.To find the spectral power density of terahertz radiation, we solve the wave equation in Fourier space with a source in the form of nonlinear polarization (see formula 2) in three homogeneous regions: half space x <0, lithium niobate single crystal and half space x> d, where d is the thickness of the specified single crystal equal to the propagation length of exciting ultrashort laser pulses in a given single crystal. Then we take the inverse Fourier transform.
Из решения следует существование двух терагерцовых волн: одна распространяется в направлении лазерных импульсов, другая в обратном направлении.The solution implies the existence of two terahertz waves: one propagates in the direction of laser pulses, the other in the opposite direction.
Рассмотрим волну, которая распространяется в направлении лазерных импульсов. Частота волны задана формулойConsider a wave that propagates in the direction of laser pulses. The wave frequency is given by the formula
где nt - индекс преломления на рабочей терагерцовой частоте Ωf/2π.where n t is the refractive index at the working terahertz frequency Ω f / 2π.
Таким образом, рабочая частота источника Ωf/2π задается изменение угла θ в виду зависимости от него необыкновенного группового индекса и индекса преломления лазерного излучения, входящих в n' и Δn.Thus, the working frequency of the source Ω f / 2π is set to change the angle θ in view of the dependence of the extraordinary group index and the refractive index of the laser radiation included in n 'and Δn.
На фиг. 3 построена зависимость рабочей частоты Ωf/2π источника узкополосного терагерцового излучения от угла θ. Например, генерации на рабочей частоте Ωf/2π=0,5 ТГц соответствует угол θ=72,5°In FIG. 3, the dependence of the working frequency Ω f / 2π of the narrow-band terahertz radiation source on the angle θ is plotted. For example, generation at the operating frequency Ω f / 2π = 0.5 THz corresponds to an angle θ = 72.5 °
Формула для спектральной плотности мощности S(Ω) в зависимости от терагерцовой частоты ΩFormula for power spectral density S (Ω) as a function of terahertz frequency Ω
гдеWhere
k=Ωnt/c,k = Ωn t / c,
где Ф - функция ошибок.where f is the error function.
На фиг. 4 представлена нормированная спектральная плотность мощности терагерцового излучения, рассчитанная согласно формуле 4 при интенсивности накачки 100 ГВт/см2, толщине монокристалла ниобата лития d=5 мм, угле θ=72,5° и длительности τ=350 фс. Для указанных параметров источник узкополосного терагерцового излучения будет излучать терагерцовое излучение на рабочей частоте Ωf/2π=0,5 ТГц с шириной спектральной линии на уровне половины высоты - 11,6 ГГц.In FIG. Figure 4 shows the normalized spectral power density of terahertz radiation calculated according to formula 4 at a pump intensity of 100 GW / cm 2 , a thickness of lithium niobate single crystal d = 5 mm, an angle θ = 72.5 °, and a duration τ = 350 fs. For these parameters, a narrow-band terahertz radiation source will emit terahertz radiation at an operating frequency of Ω f / 2π = 0.5 THz with a spectral line width at half height - 11.6 GHz.
Для подтверждения сужения спектральной линии излучения предлагаемого источника сравним полученные характеристики терагерцового излучения с источником на основе периодически поляризованного кристалла ниобата лития (см. статью на англ. яз. авторов S. Carbajo et al. «Efficient narrowband terahertz generation in cryogenically cooled periodically poled lithium niobate» - OPTICS LETT. 2015, v. 40, p. 5765). В указанной статье ширина спектральной линии 19,8 ГГц на рабочей частоте 0,513 ТГц, что практически в два раз шире, чем ширина спектральной линии 11,6 ГГц предлагаемого источника на той же рабочей частоте.To confirm the narrowing of the emission spectral line of the proposed source, we compare the obtained characteristics of terahertz radiation with a source based on a periodically polarized lithium niobate crystal (see article in English by authors S. Carbajo et al. "Efficient narrowband terahertz generation in cryogenically cooled periodically poled lithium niobate "- OPTICS LETT. 2015, v. 40, p. 5765). In this article, the spectral line width is 19.8 GHz at an operating frequency of 0.513 THz, which is almost two times wider than the spectral line width of 11.6 GHz of the proposed source at the same operating frequency.
В результате расчета было найдено, что для обеспечения генерации узкополосного терагерцового излучения, вырабатываемого в монокристалле ниобата лития в направлении распространения возбуждающих ультракоротких лазерных импульсов, толщина монокристалла d должна быть равна длине поглощения La на рабочей терагерцовой частоте Ωf/2πAs a result of the calculation, it was found that to ensure the generation of narrow-band terahertz radiation generated in a lithium niobate single crystal in the direction of propagation of exciting ultrashort laser pulses, the single crystal thickness d should be equal to the absorption length L a at the operating terahertz frequency Ω f / 2π
Для определения толщины монокристалла ниобата лития d=La при различных рабочих частотах Ωf/2π терагерцового излучения построена зависимость длины поглощения La от рабочей терагерцовой частоты Ωf/2π, показанная на фиг. 5а.To determine the thickness of a lithium niobate single crystal d = La at various operating frequencies Ω f / 2π of terahertz radiation, the dependence of the absorption length L a on the working terahertz frequency Ω f / 2π is shown, shown in FIG. 5a.
Также в результате расчета было найдено, что оптимальная длительность τopt возбуждающих фемтосекундных лазерных импульсов (соответствующая максимальной эффективности оптико-терагерцового преобразования) может быть выбрана согласно зависимости от угла θ на фиг. 5б (см. пунктирную кривую).Also, as a result of the calculation, it was found that the optimal duration τ opt of exciting femtosecond laser pulses (corresponding to the maximum efficiency of the optical terahertz conversion) can be selected according to the dependence on the angle θ in FIG. 5b (see dashed curve).
Интегрируя формулу 4 по терагерцовой частоте Ω найдем эффективность оптико-терагерцового преобразования. На фиг. 5б сплошной кривой представлена зависимость эффективности оптико-терагерцового преобразования в направлении распространения лазерных импульсов от угла θ при указанной ранее оптимальной длительности импульса и толщине монокристалла ниобата лития и интенсивности накачки 100 ГВт/см2.Integrating formula 4 over the terahertz frequency Ω, we find the efficiency of the optical terahertz conversion. In FIG. 5b, the solid curve shows the dependence of the efficiency of the terahertz conversion in the direction of propagation of laser pulses on the angle θ at the previously indicated optimal pulse duration and thickness of the lithium niobate single crystal and pump intensity of 100 GW / cm 2 .
Эффективность (не менее 10-5), отвечающая оптимальным требованиям соотношения сигнал/шум, при которых будет достигаться стабильная работоспособность источника узкополосного излучения, вырабатываемого в монокристалле ниобата лития в направлении распространения возбуждающих ультракоротких лазерных импульсов соответствует диапазону углов θ (62°-75°), что в свою очередь соответствует диапазону рабочих частот Ωf/2π от 1,2 до 0,37 ТГц.Efficiency (at least 10 -5 ) that meets the optimal requirements of the signal-to-noise ratio, at which stable operation of the narrow-band radiation source generated in the lithium niobate single crystal in the direction of propagation of exciting ultrashort laser pulses will be achieved in the angle range θ (62 ° -75 °) , which in turn corresponds to the operating frequency range Ω f / 2π from 1.2 to 0.37 THz.
При выходе из указанного диапазона в сторону уменьшения угла θ упомянутая эффективность резко уменьшается - при отклонении на 5° эффективность уменьшается на 20% и при выходе из указанного диапазона в сторону увеличения угла θ превышается технологически допустимая толщина d монокристалла ниобата лития, равная в расчетном обосновании 10 мм.When leaving the specified range in the direction of decreasing the angle θ, the mentioned efficiency sharply decreases - when deviating by 5 °, the efficiency decreases by 20% and when leaving the specified range in the direction of increasing the angle θ, the technologically permissible thickness d of the lithium niobate single crystal is exceeded, which is equal to the
Изложенное обоснование в развернутом виде будет опубликовано в статье на англ яз. авторов Е.A. Mashkovich, S.A. Sychugin and М.I. Bakunov «Generation of narrowband terahertz radiation by an ultrashort laser pulse in a bulk LiNbO3 crystal» в журнале Optics Letters, в который указанная статья поступила в начале марта 2017 г.The justification presented in expanded form will be published in an article in English. authors E.A. Mashkovich, SA Sychugin and M.I. Bakunov "Generation of narrowband terahertz radiation by an ultrashort laser pulse in a bulk LiNbO 3 crystal" in the journal Optics Letters, in which this article was received in early March 2017.
В настоящее время проводится подготовка испытаний экспериментальных образцов предлагаемого источника узкополосного терагерцового излучения.Currently, tests are being prepared for experimental samples of the proposed narrow-band terahertz radiation source.
Таким образом, изложенное выше обоснование, работающее для фемтосекундных лазеров и с другими центральными длинами волн, подтверждает выработку узкополосного терагерцового излучения в монокристалле ниобата лития в направлении распространения возбуждающих ультракоротких лазерных импульсов, в интервале технологически допустимых толщин указанного монокристалла, с эффективностью оптико-терагерцового преобразования (не менее 10-5), соответствующей оптимальным требованиям соотношения сигнал/шум, при суженной спектральной ширине линии излучения указанного источника за счет изложенных структуры и состава этого источника, а простота конструкции последнего минимизирует использование технических средств.Thus, the above justification, which works for femtosecond lasers and with other central wavelengths, confirms the generation of narrow-band terahertz radiation in a lithium niobate single crystal in the direction of propagation of exciting ultrashort laser pulses, in the range of technologically permissible thicknesses of this single crystal, with an optical-tera conversion efficiency at least 10 -5 ), corresponding to the optimal requirements of the signal-to-noise ratio, with a narrowed spectral line width radiation of the specified source due to the stated structure and composition of this source, and the simplicity of the design of the latter minimizes the use of technical means.
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017109757U RU175819U1 (en) | 2017-03-24 | 2017-03-24 | SOURCE OF NARROW-BAND THERAHZ RADIATION PRODUCED IN A LITHIUM NIOBAT CRYSTAL IN THE DIRECTION OF DISTRIBUTION OF EXCITING ULTRA-SHORT LASER PULSES |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017109757U RU175819U1 (en) | 2017-03-24 | 2017-03-24 | SOURCE OF NARROW-BAND THERAHZ RADIATION PRODUCED IN A LITHIUM NIOBAT CRYSTAL IN THE DIRECTION OF DISTRIBUTION OF EXCITING ULTRA-SHORT LASER PULSES |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU175819U1 true RU175819U1 (en) | 2017-12-20 |
Family
ID=60719178
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017109757U RU175819U1 (en) | 2017-03-24 | 2017-03-24 | SOURCE OF NARROW-BAND THERAHZ RADIATION PRODUCED IN A LITHIUM NIOBAT CRYSTAL IN THE DIRECTION OF DISTRIBUTION OF EXCITING ULTRA-SHORT LASER PULSES |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU175819U1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2811419C2 (en) * | 2018-12-18 | 2024-01-11 | Айпиджи Фотоникс Корпорэйшн | Nonlinear optical element with quasicontinuous circuit and method of its manufacture |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20130294467A1 (en) * | 2007-10-15 | 2013-11-07 | Jerome V. Moloney | Laser-based source for terahertz and millimeter waves |
| US20150316832A1 (en) * | 2014-04-30 | 2015-11-05 | Canon Kabushiki Kaisha | Terahertz-wave generation device and measurement apparatus including the same |
| RU2574518C1 (en) * | 2014-11-11 | 2016-02-10 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородский государственный университет им. Н.И.Лобачевского " | Optical-terahertz converter with cherenkov radiation |
-
2017
- 2017-03-24 RU RU2017109757U patent/RU175819U1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20130294467A1 (en) * | 2007-10-15 | 2013-11-07 | Jerome V. Moloney | Laser-based source for terahertz and millimeter waves |
| US20150316832A1 (en) * | 2014-04-30 | 2015-11-05 | Canon Kabushiki Kaisha | Terahertz-wave generation device and measurement apparatus including the same |
| RU2574518C1 (en) * | 2014-11-11 | 2016-02-10 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородский государственный университет им. Н.И.Лобачевского " | Optical-terahertz converter with cherenkov radiation |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Sergio Carbajo и др. "Efficient narrowband terahertz generation in cryogenically cooled periodically poled lithium niobate", OPTICS LETTERS, т. 40, No 24, 2015 г., стр. 5762 - 5765. * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2811419C2 (en) * | 2018-12-18 | 2024-01-11 | Айпиджи Фотоникс Корпорэйшн | Nonlinear optical element with quasicontinuous circuit and method of its manufacture |
| RU2830487C1 (en) * | 2024-01-09 | 2024-11-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Converter of laser pulses with skewed front of intensity into terahertz radiation based on flat layer of lithium niobate |
| RU2830487C9 (en) * | 2024-01-09 | 2025-06-27 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Converter of laser pulses with skewed front of intensity into terahertz radiation based on flat layer of lithium niobate |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Hebling et al. | High-power THz generation, THz nonlinear optics, and THz nonlinear spectroscopy | |
| Jullien et al. | Highly efficient temporal cleaner for femtosecond pulses based on cross-polarized wave generation in a dual crystal scheme | |
| Wang et al. | Energy scaling and extended tunability of a ring cavity terahertz parametric oscillator based on KTiOPO4 crystal | |
| Kitaeva et al. | Terahertz wave generation in periodically poled lithium niobate crystals fabricated using two alternative techniques | |
| CN101614930A (en) | A frequency tuning method for a terahertz wave parametric oscillator | |
| RU175818U1 (en) | SOURCE OF NARROW-BAND THERAHZER RADIATION PROCESSED IN A LITHIUM NIOBATE CRYSTAL IN THE DIRECTION OF REVERSE THE EXTENSION OF EXCITING ULTRASHORT LASER PULSES | |
| RU175819U1 (en) | SOURCE OF NARROW-BAND THERAHZ RADIATION PRODUCED IN A LITHIUM NIOBAT CRYSTAL IN THE DIRECTION OF DISTRIBUTION OF EXCITING ULTRA-SHORT LASER PULSES | |
| RU2655469C1 (en) | Method for generating narrow-band terahertz radiation (embodiments) | |
| Bodrov et al. | Cherenkov-type terahertz generation by optical rectification in KD2PO4 (DKDP) crystal | |
| Kolker et al. | A nanosecond optical parametric oscillator in the mid-IR region with double-pass pump | |
| Demirbas et al. | Two-dimensional effects in Multicycle THz generation with tunable pump pulse trains in lithium niobate | |
| Lee | Generation and detection of broadband terahertz pulses | |
| Kitaeva et al. | Generation and detection of terahertz radiation by means of periodically and aperiodically poled crystals | |
| RU172492U1 (en) | Terahertz Ring Parametric Generator | |
| CN115857247A (en) | Method for generating nonlinear optical effect | |
| Haglund et al. | Picosecond optical switching in silicon photonics using phase-changing vanadium dioxide | |
| Du et al. | Absorption measurement of a 50-mm-long periodically poled lithium niobate optical parametric oscillator pumped at 1064 nm by a Nd: YAG laser | |
| Aleshkin et al. | Tunable source of terahertz radiation based on the difference-frequency generation in a GaP crystal | |
| Donin et al. | Optical parametric oscillator of mid-IR, visible and UV ranges with synchronous pumping by a Q-switched mode-locked Nd: YAG laser | |
| Hecht | How the laser launched nonlinear optics | |
| Hornung et al. | Terahertz nonlinear response in lithium niobate | |
| Zhong et al. | Tunable and coherent nanosecond 7.2–12.2 μm mid-infrared generation based on difference frequency mixing in ZnGeP2 crystal | |
| Yeh et al. | Terahertz amplification in high-dielectric materials | |
| Boyko et al. | Selection of optimal phase matching conditions for semiconductor nonlinear crystals under cascade pumping at 2 μm | |
| Ku et al. | A wide range thz pulses generation in znte crystals |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM9K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20190325 |