Генерация терагерцового излучения путем накачки органических кристаллов излучением ближнего инфракрасного диапазона спектра

Введение

В последние годы терагерцовые (ТГц) технологии получили интенсивное развитие. Основной движущей силой для этого стало быстрое расширение приложений, требующих генерацию ТГц волн. Подход, основанный на генерации ТГц лазерным излучением (например, от хром-фостеритовых, иттербиевых или титан-сапфировых лазеров) путем накачки органических кристаллов на сегодняшний день является наиболее часто используемым за счет его гибкости и доступности, высокой эффективности и возможности формирования широкой полосы пропускания.  В качестве таких кристаллов выступают DSTMS (0.15 – 5.5 ТГц), DAST (0.5 – 5 ТГц), OH1 (0.1 – 3 ТГц), TMS (1 – 10 ТГц) и BNA (до 2.5 ТГц). Также они могут быть весьма результативными для генерации ТГц путем накачки на длине волны излучения 1.55 мкм от оптических параметрических усилителей с эффективностью преобразования оптического сигнала в ТГц диапазоне, составляющей 2 - 3%. В этой статье рассматриваются экспериментальные схемы и результаты генерации ТГц волн посредством накачки кристалла BNA компании Swiss Terahertz излучением от оптического параметрического усилителя и накачки кристалла DTMST компании Swiss Terahertz излучением хром-форстеритового лазера.

Генерация ТГц с применением кристалла BNA

На рис. 1 (a) приведена экспериментальная установка, базирующаяся на оптическом параметрическом усилителе с частотой 1 кГц, накачиваемом излучением титан-сапфирового лазера с энергией в импульсе 3.5 мДж, с длиной волны излучения 800 нм и длительностью импульсов 35 фс. Выходной сигнал усилителя располагался в спектральном диапазоне от 1.15 до 1.6 мкм и попадал на кристалл BNA толщиной 1.1 мм от компании Swiss Terahertz, обеспечивая при этом коллинеарную генерацию ТГц. Остаточное излучение ближнего инфракрасного диапазона спектра было отфильтровано с использованием трех фильтров нижних частот с коэффициентом подавления внеполосных сигналов ~ 0.1%. Сгенерированный ТГц пучок расширялся, а затем фокусировался с помощью комплекта из трех внеосевых зеркал. Детектирование проводилось с использованием электрооптической выборки с размером запрещенной зоны, равным 100 мкм.

Рисунок 1. (а) Экспериментальная установка для генерации и анализа ТГц, (b) эффективность оптического преобразования в ТГц для кристалла BNA толщиной 1.1 мм, (c) временные профили и (d) соответствующие спектры, генерируемые для длин волн накачки 1150 нм и 1550 нм и для двух различных плотностей энергии при накачке

На рисунках 1 (c) и (d) показан временной профиль и спектр излучения от органического кристалла BNA толщиной 1.1 мм, использованного для генерации ТГц волн, при плотности потока накачки 1 мДж/см² и 4 мДж/см² на длинах волн 1150 нм и 1550 нм.  Видно, что временной профиль характеризуется как модулированный импульс с некоторой периодичностью. Обнаруженный спектр простирается от 0.1 ТГц до 8 ТГц, однако основное спектральное содержание находится в диапазоне 1 – 5 ТГц. Этот результат является прямым отражением условий фазового синхронизма кристалла BNA. Все полученные спектры, представленные в этом разделе статьи, были откалиброваны с использованием функции отклика детектора с запрещенной зоной, при этом не наблюдалось большого изменения ни временного профиля, ни спектра между двумя плотностями энергии накачки. Это свидетельствуют о незначительном нелинейном поглощении даже при максимальной плотности потока, которая использовалась в эксперименте. Эффективность преобразования излучения от оптического параметрического усилителя в ТГц излучение с применением органического кристалла BNA при различных плотностях энергии накачки показана на рис. 1 (d). Насыщение эффективности при этом не наблюдалось даже при максимальной используемой в эксперименте плотности потока (4 мДж/см²). Эффективность преобразования соответствует линейной зависимости от плотности энергии накачки, что коррелирует с измерениями, представленным на рис. 1 (c) и (d). Вероятнее всего, данный факт связан с минимальным нелинейным поглощением за счет высокой прозрачности кристалла BNA. Повреждение или ухудшение характеристик кристалла BNA не происходило в течение нескольких недель непрерывного тестирования и хранения в условиях комнатной температуры окружающей среды, также было установлено, что порог их повреждения выше 10 мДж/см² при частоте повторения лазерных импульсов 500 Гц и центральной длине волны накачки 1200 нм.

Генерация ТГц с применением кристалла DSTMS

Оптическая система накачки органического кристалла DSTMS от компании Swiss Terahertz для получения пучка ТГц излучения показана на рис. 2. Лазерная система излучала импульсы с энергией до 55 мДж со стабильностью 2%. Коллимированные импульсы с длительностью 95 фс и энергией 30 мДж были направлены на кристалл DSTMS. Спектр лазерного импульса был центрирован на длину волны 1.25 мкм с шириной полосы 20 нм по уровню половинной амплитуды. Эта длина волны подходит для оптического выпрямления в DSTMS кристалле, поскольку обеспечивает хорошее согласование фаз в широком диапазоне частот ТГц в сочетании с низким поглощением. Кроме того, по отношению к оптическим параметрическим усилителям, лазерное излучение характеризуется более однородным профилем распределения интенсивности пучка. После органического кристалла был использован фильтр низких частот с частотой среза 10 ТГц для устранения остаточного инфракрасного излучения. Откалиброванный ТГц аттенюатор использовался для уменьшения интенсивности сформированного пучка.

Рисунок 2. Экспериментальная установка: хром-форстеритовый лазер накачивает кристалл DSTMS импульсами с энергией 30 мДж и длительностью 95 фс при центральной длине волны 1250 нм, остаточное излучение отклоняется низкочастотными фильтрами, а интенсивность ТГц уменьшается ТГц аттенюатором

На рис. 3 показаны спектр и интерферометрическая автокорреляция ТГц импульса, генерируемого в DSTMS кристалле при накачке с плотностью энергии 10 мДж/см². Единичный импульс формирует спектр, который охватывает диапазон от 0.1 ТГц до 7 ТГц и достигает пика в 2.8 ТГц. Измерения проводились в атмосферном воздухе, что вызывало некоторую спектральную модуляцию из-за поглощения в водяном паре (влажность 40%) и приводило к небольшому уменьшению энергии интегрированного ТГц импульса. Падение при 1 ТГц связано с поглощением фононов в кристалле DSTMS.

Рисунок 3. Спектр ТГц (черная кривая), полученный интерферометрической автокорреляцией (синяя кривая) с использованием интерферометра Майкельсона

На рис. 4 показаны измеренная энергия ТГц импульса и эффективность преобразования излучения хром-фостеритового лазера в ТГц излучение с применением органического кристалла DSTMS в зависимости от энергии импульса накачки. Диаметр пучка излучения накачки в данном эксперименте был равен 20 мм по уровню 1/e² для освещения всей поверхности кристалла. При увеличении энергии накачки наблюдалось почти линейное увеличение выходной энергии ТГц, которая достигала 900 мкДж при накачке импульсами с плотностью энергии 10 мДж/см², что соответствовало плотности излучаемой ТГц энергии ~ 300 мкДж/см². Для измерений энергии был использован пироэлектрический датчик и калиброванная ячейка Голея. Оба детектора показали одинаковые результаты с погрешностью менее 10%. Максимальная эффективность преобразования составила около 3% и соответствовала промежуточной энергии накачки в 20 мДж. Большая эффективность преобразования достигалась без охлаждения кристалла и была обусловлена каскадными процессами оптического выпрямления.

Рисунок 4. Энергия ТГц (черные кружки) и эффективность преобразования (синие квадраты) как функция энергии накачки

Opt. Lett. 39, 23 (2014) 6632
Appl. Phys. Lett. 114 (2019) 241101

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Swiss Terahertz на территории РФ