Генерация и детектирование терагерцового излучения при накачке периодически поляризованных кристаллов фемтосекундными лазерными импульсами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

Ковалев Сергей Павлович

ГЕНЕРАЦИЯ И ДЕТЕКТИРОВАНИЕ ТЕРАГЕРЦОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПРИ НАКАЧКЕ ПЕРИОДИЧЕСКИ ПОЛЯРИЗОВАННЫХ КРИСТАЛЛОВ ФЕМТОСЕКУНДНЫМИ ЛАЗЕРНЫМИ ИМПУЛЬСАМИ

Специальность 01.04.21 - лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

2 9 МАР 2012

Москва - 2012

005013115

005013115

Работа выполнена на кафедре квантовой электроники физического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова

Научный руководитель:

Доктор физико-математических наук, доцент Китаева Галия Хасановна.

Официальные оппоненты:

Доктор физико-математических наук, профессор Чиркин Анатолий Степанович, профессор кафедры общей физики и волновых процессов физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, Москва.

Доктор физико-математических наук, профессор Чекалин Сергей Васильевич, заведующий лабораторией спектроскопии сверхбыстрых процессов Института спектроскопии РАН, Троицк.

Ведущая организация:

Учреждение Российской академии наук «Институт прикладной физики РАН» (ИПФ РАН, Нижний Новгород).

Защита состоится «19» апреля 2012 года в «15:00» часов на заседании диссертационного совета Д. 501.001.31 при Московском государственном университете по адресу: 119991 ГСП-1, Москва. Ленинские горы, МГУ, ул. Академика Хохлова, дом 1, корпус нелинейной оптики, аудитория им. С.А. Ахматова

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова

Автореферат разослан «

б

марта

Учёный секретарь диссертационного совета Д 501.001.31, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

В последнее время исследования в терагерцовом диапазоне переживают бурное развитие в связи с многочисленными возможными применениями в таких областях как. астрофизика, спектроскопия, медицина, системы коммуникации, безопасности и др. Спектр излучения чёрного тела при температуре от 4 до 100 К лежит в терагерцовом диапазоне. Так как большая часть Вселенной имеет довольно низкую температуру, то измерение космического фона в терагерцовом диапазоне позволяет изучать процессы Большого взрыва, образования и эволюции галактик и планет. Колебательные и вращательные моды крупных молекул и их ансамблей лежат в терагерцовом диапазоне. Поэтому терагерцовая спектроскопия может быть использована для идентификации как самого вещества, так и его структурных модификаций, что особенно важно в медицине и фармакологии. Такие материалы, как одежда, пластик, дерево, бумага,, прозрачны в данном спектральном диапазоне, при этом многие лекарственные средства, наркотики, взрывчатые и ядовитые вещества имеют собственные моды в терагерцовом диапазоне, что является перспективным при использовании в системах безопасности и контроля качества. В работах [1,2] показано, что спектры пропускания биологических объектов, таких как ДНК, РНК, аминокислот, белков и др., имеют характерные "отпечатки" в данном диапазоне, которые могут служить для их анализа.

В настоящее время методы генерации и детектирования импульсов терагерцового диапазона, основанные на принципах нелинейной оптики, находятся в ряду наиболее эффективных [3]. Такие свойства, как комнатная температура функционирования, широкий спектральный диапазон, относительно высокая эффективность преобразования, сделали эти методы распространенными в различных областях. Эффективность преобразования импульсов оптического диапазона в терагерцовый во многом зависит от параметров нелинейной среды: длины когерентности, коэффициента поглощения и величины нелинейной восприимчивости.

Благодаря большой нелинейной восприимчивости второго порядка кристаллы ниобата лития принадлежат к числу наиболее эффективных сред для различных нелинейно-оптических преобразований частоты лазерного излучения. Для эффективных оптико-терагерцовых преобразований необходимо выполнение условий фазового синхронизма между волнами оптического и терагерцового диапазонов. Нормальная дисперсия ограничивает спектральный диапазон и эффективность нелинейно-оптических преобразований. Данные ограничения можно устранить при использовании кристаллов ниобата лития с регулярной доменной структурой. В данных кристаллах нелинейная восприимчивость меняет знак при переходе от од-

ного домена к другому, вследствие чего расстройка фазового синхронизма компенсируется за счёт вектора обратной сверхрешётки. Существует несколько методов создания регулярной доменной структуры. В частности, наиболее актуальными являются методы, такие как наведение доменной структуры кристалла непосредственно в процессе его роста (ростовой метод) и наведение доменной структуры электрическим полем в послеро-стовой фазе (послеростовой метод). Впервые квазисинхронная генерация импульсов терагерцового излучения наблюдалась при оптическом выпрямлении фемтосекундных лазерных импульсов в периодически поляризованных кристаллах ниобата лития (РРЬЫ) в работе [4]. Было показано, что в кристаллах РРЬМ имеет место генерация узкополосного терагерцового излучения с возможностью управления частотой как за счёт изменения температуры кристалла, так и за счёт изменения параметров доменной решётки. При этом всегда использовались кристаллы РРЬИ с доменной структурой, наведённой методом переполяризации внешними электрическими импульсами в послеростовой период [5]. Кристаллы с послеростовой доменной структурой обладают чёткой доменной структурой с разбросом периодов порядка нескольких нанометров. Однако, вследствие большой коэрцитивной силы кристаллов 1л1ЧЬОз, размеры образца вдоль направления спонтанной поляризации доменов не могут быть более 0.5 мм. Длина волны терагерцового излучения (1ТГц = 300 мкм) сравнима с толщиной образца, что приводит к большой дифракционной расходимости, и, как было выяснено в диссертационной работе, к уменьшению эффективности детектирования терагерцовых импульсов в кристаллах с послеростовой доменной структурой. Кристаллы РРЬИ с доменной структурой, наведённой в процессе роста, не имеют данного ограничения; поперечные размеры могут достигать нескольких сантиметров. Использование ростовых широкоапер-турных кристаллов перспективно в плане дифракционной расходимости, при использовании мощных импульсов накачки, когда дальнейшая фокусировка может разрушить кристалл, и при детектировании.

В диссертационной работе исследовались особенности генерации терагерцовых импульсов при оптическом выпрямлении фемтосекундных лазерных импульсов в кристаллах РРЛМ с ростовой и послеростовой доменной структурах.

Одним из наиболее развитых методов детектирования терагерцового излучения является электро-оптическое детектирование. Принцип действия электро-оптического (ЭО) детектирования заключается в изменении поляризации фемтосекундного лазерного импульса при взаимодействии с терагерцовым полем в нелинейной среде [6]. Обычно в качестве электрооптических кристаллов попользуются среды с симметрией цинковой обманки, такие как ZnTe, СаАэ, СаР, изменение поляризации измеряется методом эллипсометрии. В диссертационной работе был реализован новый метод электро-оптического детектирования, основанный на амплитудной

модуляции лазерного излучения терагерцовым полем, позволивший снять ограничения на тип симметрии ЭО сенсоров и использовать периодически поляризованные кристаллы ниобата лития в качестве нелинейной среды. В ходе работы было впервые осуществлено квазисинхронное ЭО детектирование узкочастотного терагерцового излучения.

Для управлениям процессами генерации и детектирования терагерцового излучения необходимо иметь точные данные об оптических свойствах нелинейных сред в данном диапазоне. Для этой цели обычно используется такие методы, как Фурьс-снектроскопия, спектроскопия когерентного аи-тистоксово рассеяния (КАРС), терагерцовая временная и частотная спектроскопии. До настоящего времени метод спектроскопии спонтанного параметрического рассеяния света эффективно применялся только в видимой и ИК области [8,9]. В диссертационной работе данный метод впервые использовался для исследования дисперсии действительной и мнимой частей диэлектрической проницаемости кристаллов ниобата лития конгруэнтного состава, номинально чистого и с 5 мол. % примеси Mg в терагерцовом диапазоне спектра.

Целью диссертационной работы являлось:

1. экспериментальное и теоретическое исследование процессов генерации и детектирования импульсов терагерцового излучения, основанных на нелинейно-оптическом преобразовании частоты фемтосекунд-ных лазерных импульсов в кристаллах с регулярной доменной структурой.

2. исследование дисперсионных характеристик кристаллов ЫМЬОз и Mg:LiNbÛ3 в терагерцовом диапазоне методом рассеяния света на по-ляритонах и трёхволновой интерференции

Научная новизна диссертационной работы:

1. Экспериментально исследован характер генерации терагерцового излучения при оптическом выпрямлении фемтосекундных лазерных импульсов в кристаллах ниобата лития с ростовой и послеростовой доменной структурой.

2. Разработан и реализован новый метод детектирования импульсов терагерцового излучения, позволивший впервые осуществить электрооптическое детектирование в периодически поляризованных кристаллах.

3. Развит метод фемтосекундной накачки-зондирования для исследования коллинеарной и неколлинеарной генерации терагерцовых воли в толще периодически поляризованных кристаллов.

4. Впервые применены методы спектроскопии рассеяния света на по-ляритонах для измерения дисперсионных характеристик нелинейно оптических сред в тсрагерцовом диапазоне. Экспериментально реализован метод трёхволновой интерференции при рассеянии света на поляритонах для измерения коэффициента поглощения на терагерцо-ьых частотах.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. В процессе электро-оптического детектирования терагерцового излучения при взаимодействии оптического лазерного импульса и терагерцового излучения изменяются не только фазовые, но и амплитудные характеристики лазерного импульса. Электро-оптпческое детектирование, основанное на измерении амплитудной модуляции, может функционировать на базе более широкого класса нелинейно-оптических кристаллов.

2. Применение метода электро-оптического детектирования, основанного на амплитудной модуляции, позволяет осуществить детектирование терагерцового излучения в режиме квазисинхронизма в широко-апертурных кристаллах с ростовой доменной структурой.

3. Эффективность генерации импульсов терагерцового излучения в широкоапертурных кристаллах 1^:У:1лМЬОз с ростовой доменной структурой существенно не отличается от эффективности генерации в кристаллах 1лМЬ03 с доменной структурой, созданной методом поляризации в пространственно-неоднородном электрическом поле; различие амплитуд терагерцовых полей составляет 7-10% при плотностях мощности импульсов накачки до Ю10 Вт/см2. Однако, эффективность детектирования в кристаллах с ростовой доменной структурой существенно выше вследствие их широкой апертуры.

4. Метод фемтосекундной накачки-зондирования является эффективным средством исследования условий коллинеарных и неколлинеар-ных процессов генерации и детектирования терагерцовых волн в объёме протяженных образцов периодически поляризованных кристаллов.

5. Метод спектроскопии рассеяния света на поляритонах позволяет измерять дисперсию действительной части диэлектрической проницаемости нелинейно-оптических кристаллов в терагерцовом диапазоне. Для измерения дисперсии мнимой части диэлектрической проницаемости в терагерцовом диапазоне методом спектроскопии рассеяния света на поляритонах необходимо применение схемы трёхволновой интерференции.

Практическая значимость работы:

1. Результаты проведённого сравнения особенностей генерации терагер-цового излучения при преобразовании фемтосекундных лазерных импульсов в периодически поляризованных кристаллах ниобата лития с ростовой и послеростовой доменной структурой может быть использовано при проектировании узкочастотных источников и приёмников терагерцового излучения.

2. Впервые осуществлено электрооптическое детектирование терагерцо-вых импульсов в квазисинхронном режиме в кристаллах Mg:LiNbC>3 с ростовой доменной структурой.

3. Предложен и впервые экспериментально реализован новый метод электро-оптического детектирования импульсов терагерцового излучения. Показано, что новый метод может функционировать на основе более широкого ряда высокоэффективных нелинейно-оптических кристаллов — без ограничений, накладываемых на тип симметрии кристаллической решётки.

4. Развит метод фемтосекундной накачки-зондирования для исследования условия коллинеарной и неколлинеарной генерации терагерцо-вых волн в объёме протяженных образцов периодически поляризованных кристаллов.

5. Впервые использованы методы рассеяния света на поляритонах и метод трёхволновой интерференции для измерения дисперсионных характеристик кристаллов в терагерцовом диапазоне спектра. Исследовано влияние примеси магния в кристаллах ниобата лития на дисперсию действительной и мнимой частей диэлектрической проницаемости в терагерцовом диапазоне.

Апробация работы:

Основные результаты диссертационной работы были опубликованы в ведущих отечественных и зарубежных научных журналах: «Письма в ЖЭТФ», «Вестник МГУ. Физика. Астрономия.». «Applied Physics В: Lasers and Optics», «Applied Physics Letters», «International Journal of Quantum Information», «Journal of Infrared Millimétré and Terahertz Waves». Результаты неоднократно докладывались ка международных и всероссийских научных конференциях, таких как: «Topical Problems of Biophotonics - 2009», VI Международная конференция молодых ученых и специалистов «Оп-тика-2009», «0птика-2010», «Фундаментальные проблемы оптики 2010», «Terahertz Radiation: Generation and Application» и другие.

По материалам диссертации было опубликовано 24 работ, из которых 6 - статьи в рецензируемых журналах из списка ВАК России, 18 - тезисы международных и отечественных научных конференций.

Структура и объём диссертационной работы:

Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения и списка литературы. Полный объём работы 134 страницы, включая 43 рисунка. Библиография содержит 146 публикаций.

Личный вклад:

Все использованные в диссертации результаты являются оригинальными и были получены автором лично или при его непосредственном участии.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность тематики диссертационной работы, изложены основные проблемы рассматриваемого тематического направления, приведены цели, сформулирована научная новизна работы. Затем дан краткий обзор методов генерации, детектирования и спектроскопии в терагерцовом спектральном диапазоне. Изложены основные преимущества нелинейно-оптических методов генерации и детектирования тера-герцового излучения и спектроскопии рассеяния света на поляритонах.

Первая глава диссертационной работы посвящена методам генерации терагерцового излучения. В начале главы дан обзор основных методов и устройств генерации терагерцовых полей, причём основное внимание уделено лазерным методам, основанным на принципах нелинейной оптики. Затем теоретически описан процесс генерации импульсов терагерцового излучения при оптическом выпрямлении фемтосекундных лазерных импульсов.

При описании использовались приближения заданной накачки и медленно меняющихся амплитуд. В данных приближениях поле терагерцовой волны в "прямом" (0 и "обратном" (Ь) направлении при генерации методом оптического выпрямления сверхкоротких лазерных импульсов описывается следующим выражением:

= (1)

Здесь Г2 - частота терагерцового поля, с - скорость света в вакууме, к - волновой вектор на оптической частоте, Т/^ (П) - функция нелинейной передачи, С (£)) - автокорреляционная функция импульсов накачкп. Нелинейная

функция передачи Т/.ь является аппаратной функцией нелинейной среды и несет информацию о пространственно-неоднородном распределении квадратичной восприимчивости в пределах объёма взаимодействия:

¿/2

' (1х'ХМ(х')е<%±к{"]К (2)

Ь/2

С (Г2)-фактор характеризует аппаратную функцию импульса накачки и определяется через его огибающую Вр (¿) как:

С (П) -

Ер (ш) Е" (и - П) йш =

2тг

\Вр{1)\2еаЧ1, (3)

= дк°п изг — дл

групповая скорость оптических волн. В простраиственно-одно-родных кристаллах эффективность генерации максимальна при выполнении условий фазового синхронизма = ± к(С1) = 0. В кристаллах ГлЫЬОз условия фазового синхронизма не выполняются, так как групповая скорость оптического и фазовая скорость терагерцового импульсов отличаются более чем в два раза, что приводит к малой длине когерентности (для 1 ТГц, длина когерентности составляет порядка 50 /ш) и крайне малой эффективности генерации. В кристаллах РРЬК фазовая расстройка компенсируется периодической сменой направления нелинейной восприимчивости. Вследствие этого, в кристаллах РР1^ имеет место генерация узкочастотного терагерцового излучения с параметрами, определяющимися свойствами доменной структуры кристалла. При оптическом выпрямлении генерация терагерцового излучения происходит в небольшой области вблизи выходной грани кристалла 1 мм в случае кристаллов ниобата лития). Для исследования процессов генерации во всём объёме кристалла РРЬМ был разработан метод фемтосекундной накачки-зондирования, позволяющий измерять терагерцовые поля в кристалле как в коллинеарном, так и в неколлинеарном режиме.

Далее даётся описание кристаллов ниобата лития с доменной структурой (РРЫМ), наведённой в процессе роста, и доменной структурой, наведённой в послеростовой период внешними электрическими импульсами. Приводятся схемы трёх экспериментальных установок для исследования спектров генерации терагерцового излучения периодически поляризованными кристаллами РРЬМ с ростовой и послеростовой доменной структурой. С помощью экспериментальной установки №1 (Рис. 1) исследовались спектры генерации кристаллов РРЬК в условиях, когда область генерации имела диаметр меньше длины волны терагерцового поля и регистрировалось поле, генерируемое в небольшой области вблизи выходной грани кристал-

ла. При таких условиях на спектр генерации влияет продольная неоднородность доменной структуры приповерхностного слоя кристалла. Для исследования эффективности оптико-терагсрцовых преобразований во всём объёме кристалла использовался метод фсмтосекундной накачки-зондирования (Рис. 1 экспериментальная установка №2). В этом случае исследовались генерируемые терагерцовые поля как в "прямом", так и в "обратном", относительно распространения импульса накачки, направлении. Для исследования возможной перестройки частоты генерации терагерцовой волны исследовались кристаллы РРЬК с различными периодами доменной структуры от 27 до 80 мкм и различной ориентацией доменных стенок.

№1.

На Рис. 2 представлены измеренные временные зависимости те-рагерцовых полей, которые генерировались методом оптического выпрямления фемтосекундных лазерных импульсов в кристаллах ниоба-та лития с ростовой п послеросто-вой доменной структурой с периодом 70 мкм. Генерируемые терагерцовые поля являются узкочастотными с временным периодом равным 0.67 пс, что соответствует частоте генерации 1.5 ТГц. Различия во временной динамике терагерцовых полей связаны с большей неоднородностью ростовой доменной структуры по сравнению с послеростовой доменной структурой.

Сравнивая особенности генерации терагерцового излучения при оптическом выпрямлении фемтосекундных лазерных импульсов в кри-

Рис. 1: Экспериментальные установки. СД- стаЛЛаХ ШюбаТа ЛИТПЯ С РегУляР-светодслитель, ЛЗ - линия задержки, МП - ной доменной структурой, выращен-механическнй прерыватель, ПЗ - параболи- ной в процессе роста, и наведёи-ческие зеркала, ФД-фотодиод, ПГ-призма ной электрическим полем в после-Глана ростовой период, можно заключить,

что применение широкоапертурных кристаллов с ростовой доменной структурой не приводит к заметному изменению эффективности генерации по сравнению с кристаллами с послеростовой доменной структурой, различие амплитуд терагерцовых полей составляет 7-10 % при плотности мощности импульсов накачки порядка Ю10

»г.

Ростовая доменная структура.

Послеростоиая доменная структура.

Рис. 2: Временная динамика терагерцового поля при генерации методом оптического выпрямления фемтосекундных импульсов в кристаллах РРЬГ\Т.

Вт/см2. Однако, как это будет показано во второй главе, использование кристаллов с ростовой доменной структурой является ключевым условием прн пробно-энергетическом детектировании терагерцового излучения в режиме квазисинхронизма.

Методом феытосекундной накачки-зондирования исследовались условия генерации и детектирования терагерцовых волн в объёме протяжённых образцов периодически поляризованных кристаллов. Определены полосы частот генерации и детектирования в ряде кристаллов М§:У:1лМЬОз с ростовой доменной структурой. В направлении, совпадающем с направлением на-

0 0 _ качки, частоты варьируются в диа-

г ис. о: Спектры генерации терагерцового * "

излучения кристаллами РРЬЫ с ростовой пазоне 1.3 - 1.8 ГГц при изменении доменной структурой (сплошная линия) и с периода доменной структуры крн-послсростовой доменной структурой (штри- сталлов в пределах от 60 мкм до 80 хованная линия). мкм, частоты генерации и детекти-

рования в обратном направлении -в пределах 0.5 -1.5 ТГц при изменении периода доменной структуры от 27 мкм до 80 мкм. Также показано, что за счёт изменения ориентации кристалла с периодом 27 мкм возможна перестройка частот в диапазоне от 1.4 ТГц до 2.5 ТГц.

а, тгц.

Вторая глава диссертационной работы посвящена методам детектирования терагерцового излучения. В начале главы дан обзор основных методов детектирования терагерцового излучения, известных на момент начала работы над диссертацией. Затем проведён теоретический анализ нелинейно-оптического взаимодействия терагерцового поля с фемтосекундны-ми лазерным импульсами в процессе электро-оптического детектирования. Показано, что возможен не только стандартный метод эллипсометрии, основанный на измерении наведённой фазовой модуляции лазерного импульса, но и пробно-энергетический подход, основанный на амплитудной модуляции лазерного импульса терагерцовым полем.

Результаты теоретического анализа можно кратко сформулировать следующим образом: при ЭО детектировании любого типа взаимодействие терагерцового излучения с оптическим излучением лазерной накачки в нелинейно-оптической среде может быть представлено как набор элементарных процессов генерации суммарной и разностной частоты, протекающих с участием отдельных частотных компонент оптического и терагерцового импульсов. Уравнение, описывающее изменение спектральных компонент оптического импульса А(х,ш) в нелинейной среде в приближении медленно меняющихся амплитуд, будет иметь вид

= 1Ы2 (*) Idn (Ai w - (П) e<fc""<n)*+

+Aj (w + ft) e'ikl-^xA*TH.k (ft) eik™>Wx) e-ifc'M*

(4)

для каждой компоненты г, j, к = 1,2,3 поляризации оптического (Л (х,ш)) и терагерцового (Ajg, (х, ft)) полей, е' - действительная часть диэлектрической проницаемости кристалла на оптической частоте, xfjl - тензор нелинейной восприимчивости. Поле оптического импульса после прохождения кристалла-детектора одновременно с терагерцовым полем будет иметь вид:

At (х, t) = А{ (0, t) (f^frV^O, Где

а, (х, t) ~ dxXflk (х) J dnmrn (ATHz,k (ft) e ,

(x, t) ~ dxxf]* (x) J dftu;3le {ATHz,k (ft) ^»e"«).

Полученное решение показывает, что взаимодействие с терагерцовым полем приводит к модуляции и фазы, и амплитуды поляризационных компонент оптического импульса. Как фазовая, так и амплитудная модуляции линейно пропорциональны терагерцовому полю. Каждый из этих двух видов модуляции несёт информацию о спектре терагерцового излучения и может быть положен в основу соответствующего метода ЭО детектирования.

Далее рассмотрены возможные схемы детектирования, когда принимаются во внимание как модуляция фазы, так и модуляция амплитуды фемтосекундного лазерного импульса. Спектральные чувствительности фазового, амплитудного и электро-оптического детектирования смешанного типа описываются следующими выражениями:

Ят(П) = 2$С(П)Т(П), (п) = ^ \/Гр2 + 4ф2П2х хС(П)Т(П).

-X

4Д1.

И"

О S I □ 1Л

(6) \

(f

777

¡VI

/ СД!

Здесь С (П) - автокорреляционная функция импульсов накачки детектора. Гц - остаточное двулучепре-ломление кристалла-детектора, ф - угол между осью поляризатора, расположенного перед фотоприёмником, и нормалью к А{п.

На Рис. 4а представлена экспериментальная установка, на которой было впервые реализовано пробно-энсргетическое квазисинхронное детектирование импульсов терагерцового излучения в кристаллах ниобата лития с ростовой доменной структурой (блок №2 ). Для сравнения со спектрами детектиро-

б.

вания стандартного метода эллип-

сометрии использовался блок №1. Рис. 4: Экспериментальные установки. СД-

Для реализации электрооптическо- светоделитель, ЛЗ - лшшя задержки, МП -

го детектирования смешанного ти- ^ханический прерыватель, ПЗ-парабола-

ческие зеркала, ФД - фотодиод. Ш - призма па использовалась эксперименталь- рлана

ная установка, изображённая на

Рис. 46.

На Рис. 5а, 56 представлена временная динамика поля терагерцового излучения при использовании в качестве сенсоров кристаллов PPLN с периодом доменной структуры 70 мкм и кристалла ZnTe. На Рис. 6а представлены частотные спектры детектирования кристаллов ниобата лития

с ростовой доменной структурой периодом 70 и 80 мкм, измеренные методом пробно-энергетического детектирования, и спектр детектирования кристалла 2пТе, измеренный методом эллипсометрии.

При использовании в качестве сенсоров терагерцового излучения кристаллов ниобата лития с послеростовой доменной структурой сигнал на фоне шума не наблюдался. Отсутствие сигнала может быть объяснено влиянием ограниченности поперечного сечения кристалла на спектральную чувствительность. Кристаллы РР1^ с послеростовой доменной структу-

тм, пс. гл|, ПС.

а. гпТе. 6. РРШ

Рис. 5: Временная динамика поля терагерцового импульса при генерации методом оптического пробоя воздуха фемтосекундным лазерным импульсом и электро-оптическим детектировании методом эллипсометрии в кристалле ZnTe и пробно-энергетическим методом с использованием периодически поляризованного кристалла ниобата лития с периодом доменной структуры 70 мкм.

Рис. 6: (а) Спектры детектирования широкополосных импульсов терагерцового излучения кристаллами и йпТе; (б) спектры детектирования при реализации ЭО смешанного типа (скрещенная поляризация) и метода эллипсометрии (циркулярная поляризация)

рой имеют сечение входной поверхности порядка 0.5-0.7 мы. При этом

диаметр перетяжки при фокусировке терагерцового излучения (из-за большой длины волны), как правило, более 1 мм. Таким образом, чувствительность кристаллов РРЬЬТ с послеростовой доменной структурой значительно уменьшается вследствие малой области взаимодействия, а также за счёт больших углов дифракционной расходимости терагерцового излучения в кристалле, так как длина волны терагерцового поля 200мкм) сравнима с сечением образца. В этом плане более предпочтительными являются кристаллы РРЬКТ с ростовой доменной структурой, которые могут иметь гораздо большую величину 1см) поперечного сечения; Узкополосное квазнсинхропное пробно-энергетическое детектирование может быть перспективным в случаях, когда необходимая информация лежит в одной или нескольких узких линиях терагерцового диапазона. При этом, зная заранее полосу детектирования, можно существенно сократить время сканирования. Используя кристаллы с апериодической доменной структурой, можно изготовить кристалл, который будет чувствителен к нескольким требуемым спектральным линиям, которые могут совпадать с характерными частотами взрывоопасных и ядовитых веществ, что перспективно в плане использования в системах безопасности.

В работе также приводился сравнительный анализ схем смешанного типа и эллипсометрии в случае использования кристалла 2пТе в качестве кристалла-детектора. На Рис. 66 представлены нормированные спектры детектирования, полученные при применении метода смешанного типа и метода эллипсометрии. Согласно данным спектрам, ЭО детектирование смешанного типа в кристаллах 2пТе практически полностью основано на модуляции фазы пробного импульса, при этом амплитудной модуляцией можно пренебречь.

Третья глава посвящена исследованию оптических параметров кристаллов ниобата лития в терагерцовом диапазоне методами спектроскопии рассеяния света на поляритонах, в частности, в условиях трёхвол-новой интерференции в схеме типа Юнга. В начале главы дай обзор основных методов, используемых в настоящее время для характеризации вещества в терагерцовом диапазоне спектра. Теоретически рассмотрена спектроскопия спонтанного параметрического рассеяния света и трёхвол-повая интерференция в схеме типа Юнга, условия их применения для характеризации нелинейной среды в терагерцовом диапазоне. Показано, что по частотно-угловому распределению интенсивности сигнального излучения можно определить действительную часть диэлектрической проницаемости нелинейно-оптической среды в терагерцовом диапазоне. Однако, при измерении мнимой части диэлектрической проницаемости фактор ограничения объёма взаимодействия увеличивает ошибку измерения. Для измерения мнимой части диэлектрической проницаемости в терагерцовом диапазоне было предложено использовать метод трёхволновой интерференции. До этого метод трёхволновой интерференции использовал-

ся только в ближнем ИК диапазоне [10]. Представлена экспериментальная установка, которая использовалась для наблюдения частотно-угловых спектров рассеяния света на поляритонах и трёхволновой интерференции в кристаллах ниобата лития с различными концентрациями примеси магния. По частотно-угловым спектрам были измерены дисперсии действительной (Рис. 8, 9) и мнимой частей диэлектрической проницаемости кристаллов 1лЫЬ03 и в диапазоне от 0.5 ТГц до 6 ТГц.

На Рис. 86 изображена разница между действительными частями диэлектрической проницаемости Ае' кристаллов ниобата лития конгруэнтного состава, номинально чистого и с 5 мол. % примеси 1^0. Ае' имеет резонансный характер в окрестности низкочастотного фонола А типа с частотой 248 см-1. Данное поведение соответствует уменьшению концентрации дефектов кристаллической структуры при легировании кристалла, ионами

Как видно из графиков на Рис. 9, данные, полученные разны-^Ч ми авторами, отличаются друг от ^ друга, что может быть связано с разными условиями роста кристалла и сильным влиянием дефектной структуры на мнимую часть диэлектрической проницаемости. Согласно с результатами, приведёнными на Рис. 9а, 96, наличие примеси заметно уменьшает поглощение те-рагерцового излучения в кристалле ниобата лития, что согласуется с данными, полученными другими методами [10,11]. Таким образом, метод трёхволновой интерференции позволяет измерить мнимую часть диэлектрической проницаемости в терагерцовой области спектра с достаточно высокой точностью. В данном случае, при использовании двойной щели с параметрами а = а! = 100 мкм была измерена дисперсия коэффициента поглощения в диапазоне от 20 до 130 см-1.

Рис. 7: Экспериментальная установка для наблюдения частотно-угловых спектров рассеяния света на поляритонах.

ь V! МП 1 ■

I- ,.„„ 1

1 ! •

; !

1 ! 1 1

»•Уг

' ( 1

г 1 1 ! 1

7! 1 5 35 * 45 5 55 £ «5

а, тгц.

43Ж

¥ТГ

15 г 15-1 35 >—«Т

п, ТГц.

Рис. 8: (а): дисперсия действительной части диэлектрической проницаемости кристаллов ЫКЬОз и К^:1ЛМЬ03, (б): дисперсия Де' = е'Мд:ШЮ1 - ¿'ито3

Рис. 9: Дисперсия коэффициента поглощения кристалла ниобата лития конгруэнтного состава (номинально чистого и с 5 мол. % примеси М&) в терагерцовом диапазоне измерепная методом трёхволновой интерференции, * - [10], ** - [11].

Основные результаты и выводы.

1. Исследованы особенности генерации терагерцового излучения при оптическом выпрямлении фемтосекундных лазерных импульсов в периодически поляризованных кристаллах ниобата лития двух типов: с регулярной доменной структурой, созданной в процессе роста кристаллов, и доменной структурой, созданной в послеростовом периоде путем наложения пространственно-неоднородного электрического поля. Обнаружены эффекты неоднородного уширения спектральной линии генерации, обусловленные нерегулярностью ростовой доменной структуры. Показано, что применение кристаллов с регулярной ростовой доменной структурой не приводит к заметному изменению

эффективности генерации по сравнению с кристаллами с послеросто-вой доменной структурой, различие амплитуд генерируемых терагер-цовых полей составляет 7-10% при плотности мощности импульсов накачки до 10ш Вт/см2.

2. Экспериментально реализован новый метод электрооптического детектирования импульсов терагерцового излучения, основанный па измерении модуляции амплитуды фемтосекундного лазерного импульса, наведённой терагерцовым полем в нелинейно-оптической среде. Данный метод может функционировать на основе более широкого класса нелинейно-оптических сред, включая кристаллы с одной действующей компонентой тензора квадратичной восприимчивости.

3. Впервые осуществлено электрооптическое детектирование терагерцо-вых импульсов в режиме квазисинхронизма. Показано, что использование шгтрокоапертурных кристаллов с ростовой доменной структурой и экспериментальной схемы, основанной на измерении модуляции амплитуды лазерных импульсов, являются ключевыми условиями для квазнсинхроиного детектирования терагерцового излучения в периодически поляризованных кристаллах ниобата лития.

4. Развит метод фемтосекундной накачки-зондирования для исследования условий генерации и детектирования терагерцовых волн в объёме протяжённых образцов периодически поляризованных кристаллов. На его основе определены полосы частот генерации и детектирования в ряде кристаллов 1^:У:1л]\тЪОз с ростовой доменной структурой. В направлении, совпадающем с направлением накачки, частоты варьируются в диапазоне 1.3 -1.8 'ГГц при изменении периода доменной структуры кристаллов в пределах от 60 мкм до 80 мкм, частоты генерации и детектирования в обратном направлении - в пределах 0.5 - 1.5 ТГц при изменении периода доменной структуры от 27 мкм до 80 мкм. Также показано, что за счёт изменения ориентации кристалла К^:У:ЫМЬОз с периодом 27 мкм возможна перестройка частот в диапазоне от 1.4 ТГц до 2.5 ТГц.

5. Развиты методы спектроскопии рассеяния света на поляритонах для измерения дисперсионных характеристик нелинейно-оптических сред в терагерцовом диапазоне. Экспериментально реализован метод трёхволновой интерференции при рассеянии света на поляритонах для измерения коэффициента поглощения на терагерцовых частотах.

6. Исследовано влияние примеси магния в кристаллах ниобата лития на дисперсию действительной и мнимой частей диэлектрической проницаемости в терагерцовом диапазоне. Определены дисперсионные

характеристики кристаллов LiNbCb и MgiLiNbOj конгруэнтного состава на частотах от 0.5 ТГц до G ТГц.

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. S.W. Smye, J.M. Chamberlain, A.J. Fitzgerald, E. Бегу, The interaction between Terahertz radiation and biological tissue // Phys. Med. Biol.

2001. T. 46. C. R101-R112.

2. A.J. Fitzgerald, E. Bery, N,N. Zinovev et al, An introduction to medical imaging with coherent terahertz frequency radiation // Phys. Med. Biol.

2002. T. 42. C. R67-R81.

3. G.Kh. Kitaeva, Terahertz generation by means of optical lasers // Laser Phys. Lett, 2008. T. 5. C. 559-576.

4. Y.S. Lee, T. Meade, V. Perlin, Generation of narrow-band terahertz radiation via optical rectification of femtosecond pulses in periodically poled lithium niobate // Appl. Phys. Lett. 2000. T. 76. C. 2505-2507.

5. M.J. Missey, S. Russell, V. Dominic, Real-time visualization of domain formation in periodically poled lithium niobate// Opt. Exp. 2000. T.6. C. 186-195.

6. Q. Chen, X.-C. Zhang. Polarization modulation in optoelectronic generation and detection of terahertz beams // Appl. Phys. Lett. 1999. T. 74. C. 3435 3437.

7. K.A. Kuznetsov, H.C. Guo, G.Kh. Kitaeva et al, Characterization of periodically poled LiTa03 crystals by means of spontaneous parametric down-conversion // Appl. Phys. B. 2006. T. 83. C. 273-278.

8. G.Kh. Kitaeva, K.A. Kuznetsov. A.V. Shevlyuga, A.N. Penin, Infrared dispersion of dielectric function in Mg:doped LiNb03 crystals with polaronic-type conductivity // J. Raman Spectrosc. 2007. T. 38. C. 994-997.

9. A.B. Бурлаков, Интерференция бифотонных полей // Диссертация на соискание учёной степени канд. физ.-мат. наук. -М., 2000.

10. Q. Tiequn, М. Max, Long-distance propagation and damping of low-frequency phonon polaritons in LiNb03 // Phys. Rev. B. 1997. T. 56. C. R5717-R5720.

11. L. Palfalvi, J. Hebling, J. Kuhl et al, Temperature dependence of the absorption and refraction of Mg-doped congruent and stoichiometric LiNb03 in the THz range //' J. Appl. Phys. 2005. T. 97. C. 123505.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ В ЖУРНАЛАХ ИЗ СПИСКА ВАК

1. G.Kh. Kitaeva, S.P. Kovalev and К.Л. Kuznetsov. Biphoton wave packets generated in aperiodically poled crystals// International Journal of Quantum Information. 2009. T. 7. C. 63 69.

2. G.Kh. Kitaeva, S.P. Kovalev, I.I. Naumova, R.A. Akhmedzhanov, I.E. Ilyakov, B.V. Shishkin, and E.V. Suvorov. Quasi-phase-matched probe-energy electro-optic sampling as a method of narrowband terahertz detection// Appl. Phys. Lett. 2010. T. 96. C. 071106.

3. K.A. Kuznetsov, S.P. Kovalev, G.K. Kitaeva, T.D. Wang, Y.Y. Lin, Y.C. Huang, I.I. Naumova, A.N. Penin. Dispersion of the dielectric function real part for Mg:LiNb03 crystals at terahertz frequencies// Appl. Phys. В 101. 2010. С. 811-815.

4. G.Kh. Kitaeva, S.P. Kovalev, A.N. Penin, A.N. Tuchak, P.V. Yakunin. A Method of Calibration of Terahertz Wave Brightness Under Nonlinear-Optical Detection// J. Infrared Milli. Terahz Waves. 2011. T. 32. C. 1144-1156.

5. С.П. Ковалев, H.A. Ильин, И.Е. Иляков, Е.Д. Мишина, А.Н. Пенил, А.С. Сигов. Нелинейно-оптическое детектирование терагерцового излучения в периодически поляризованных кристаллах// Вестник Московского университета. 2011. Т. 1. С. 12-18.

6. S.P. Kovalev and G.Kh. Kitaeva. Two Alternative Approaches to Electro Optical Detection of Terahertz Pulses// JETP Lett. 2011. T. 94. № 2. C. 95-100.

Подписано в печать:

14.03.2012

Заказ № 6806 Тираж - 100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

61 12-1/754

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ М.В. ЛОМОНОСОВА

на правах рукописи

Ковалев Сергей Павлович

ГЕНЕРАЦИЯ И ДЕТЕКТИРОВАНИЕ ТЕРАГЕРЦОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПРИ НАКАЧКЕ ПЕРИОДИЧЕСКИ ПОЛЯРИЗОВАННЫХ КРИСТАЛЛОВ ФЕМТОСЕКУНДНЫМИ ЛАЗЕРНЫМИ ИМПУЛЬСАМИ

Специальность 01.04.21 - лазерная физика

Диссертация на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель доктор физико-математических наук

Китаева Г.Х.

Москва - 2012

Содержание

Введение .....................

4

Глава 1. Генерация импульсов терагерцового излучения при накачке периодически поляризованных кристаллов фемто-

секундными лазерными импульсами..............................15

1.1. Методы генерации терагерцового излучения......................15

1.2. Оптическое выпрямление фемтосекундных лазерных импульсов..........................................................................23

1.3. Метод фемтосекундной накачки-зондирования..................29

1.4. Периодически поляризованные кристаллы ЫИЪО^..............31

1.5. Экспериментальная установка......................................33

1.6. Измерение спектров генерации импульсов терагерцового излучения в кристаллах РРЬИ ......................................39

1.7. Заключение по главе №1 ............................................57

Глава 2. Детектирование импульсов терагерцового излучения при накачке периодически поляризованных кристаллов

фемтосекундными лазерными импульсами......................58

2.1. Методы детектирования терагерцового излучения..............58

2.2. Электро-оптическое детектирование импульсов терагерцового излучения............................................................64

2.3. Метод эллипсометрии..................................................68

2.4. Пробно-энергетический подход......................................71

2.5. Электро-оптическое детектирование смешанного типа..........72

2.6. Экспериментальная установка......................................77

2.7. Детектирование импульсов терагерцового излучения кристаллами ниобата лития с ростовой доменной структурой. . 81

2.8. Заключение по главе №2 ............................................89

Глава 3. Измерение дисперсионных характеристик кристаллов ЫЫЬОз и Мд : ЫЫЪОъ в терагерцовом диапазоне. ... 90

3.1. Спектроскопия рассеяния света на поляритонах........ 90

3.2. Частотно-угловые спектры рассеяния света на поляритонах кристаллов ЫМЬОз в терагерцовом диапазоне холостых частот.................................... 96

3.3. Метод трёхволновой интерференции................ 99

3.4. Экспериментальная установка для измерения частотно-угловых спектров рассеяния света на поляритонах в терагерцовом диапазоне частот холостого излучения..............105

3.5. Измерение действительной и мнимой части диэлектрической проницаемости кристаллов ЫИЪО^ и Мд : ЫЫЬО^......109

3.6. Заключение по главе №3 ......................118

Заключение .................................119

Литература...................................122

Введение

Электромагнитное излучение терагерцового диапазона лежит между инфракрасной и СВЧ областями и соответствует частотам от 0.1 ТГц до 10 ТГц. В последнее время исследования в данном диапазоне переживают бурное развитие в связи с многочисленными возможными применениями. Первоначально интерес был вызван проблемами астрофизики и спектроскопии. Спектр излучения чёрного тела при температуре от 4 до 100 К лежит преимущественно в терагерцовом диапазоне. Так как большинство областей вселенной имеет низкую температуру, то терагерцовая спектроскопия является наиболее важной для изучения процессов Большого взрыва, образования и эволюции галактик и планет; более половины светимости вселенной принадлежит данной области частот [1]. Так, например, измерение поляризационного состояния реликтового излучения, лежащего преимущественно в диапазоне 100 - 300 ГГц, позволяет исследовать первичную структуру вселенной, образованную более 14 миллиардов лет назад [2].

Другой важной задачей является характеризация вещества. Колебательные и вращательные моды крупных молекул и их ансамблей лежат в терагерцовом диапазоне. Поэтому терагерцовая спектроскопия может быть использована для определения как самого вещества, так и его структурных модификаций, что особенно важно в медицине и фармакологии. В работе [3] были продемонстрированы на примере гидрохлорида ранитидина возможности терагерцовой спектроскопии для исследований свойств лекарственных средств и определения их полиморфов. В [4, 5] были изучены распространённые лекарственные средства методом импульсной терагерцовой спектроскопии и продемонстрированы преимущества использования данного частотного диапазона при идентификации различных кристаллических и аморфных фаз вещества. Преимущества терагерцовой спектроскопии заключаются в прозрачности многих веществ в данном диапазоне и наличии характерных собственных частот лекарственных, взрывчатых, биологических веществ. Так же, терагерцовое излучение является не ионизирующим (энергия фотона порядка мэВ), что является особенно важным при использовании в системах безопасности и при исследовании органических соединений.

В работах [6, 7] исследовались возможности применения терагерцовой спектроскопии для диагностики биологических молекул, клеток и тканей. Показано, что спектры пропускания биологических объектов, таких как ДНК, РНК, аминокислоты, белки и др., имеют характерные "отпечатки" в данном диапазоне, и могут служить для их анализа. Так как наличие воды уменьшает глубину проникновения терагерцового излучения, в [8] было продемонстрировано увеличение чувствительности при исследовании спектров отражения от биологических объектов. Спектры отражения здоровой ткани и ткани с раковой опухолью имеют существенные отличия в терагер-

цовом диапазоне, поэтому терагерцовые изображения перспективны для диагностики и лечения раковых заболеваний [9].

Согласно закону Эдгольма, требования к широкополосным беспроводным технологиям удваиваются каждые 18 месяцев в течении последних 25 лет. Следовательно, можно предположить, что менее чем через 10 лет требуемая скорость передачи данных в информационных системах составит более 10 ГБ/с. Для достижения таких высоких скоростей необходимо использовать несущую частоту свыше 0.1 ТГц, то есть находящуюся в тера-герцовом диапазоне. Использование терагерцовой несущей частоты имеет такие преимущества, как более широкая частотная полоса, по сравнению с радиочастотами, и более слабое рассеяние, по сравнению с ИК диапазоном. В [10] было продемонстрировано беспроводное соединение на несущей частоте 120 ГГц и на несущей частоте около 350 ГГц в диапазоне от 300 до 400 ГГц. Использование данных частот позволяет реализовать скорости передачи данных порядка 10 Гбит/с.

Взрывчатые и ядовитые вещества имеют специфические спектральные линии в ТГц диапазоне. Поскольку неметаллические и неполярные материалы, такие как полиэтилен, одежда и пр., прозрачны для излучения данного диапазона, и терагерцовое излучение безвредно для живых организмов, то терагерцовая спектроскопия является перспективной в плане использования в системах защиты и безопасности. В работе [11] было продемонстрировано обнаружение скрытого оружия (взрывоопасного, химического и биологического) и наркотических веществ методом терагерцовой спектроскопии. В [12] были продемонстрированы системы удалённого мониторинга радиоактивных веществ, основанные на процессе генерации импульсов те-рагерцового излучения в газах при наличии ионизирующего излучения.

В настоящее время методы генерации и детектирования импульсов терагерцового диапазона, основанные на принципах нелинейной оптики, находятся в ряду наиболее эффективных [13]. Такие свойства, как комнатная температура функционирования, широкий спектральный диапазон, относительно высокая эффективность преобразования, сделали эти методы распространёнными в различных приложениях. Эффективность преобразования импульсов оптического диапазона в терагерцовый во многом зависит от параметров нелинейной среды: длины когерентности, коэффициента поглощения и величины нелинейной восприимчивости. В качестве нелинейных сред для генерации терагерцового излучения рассматривалось множество сред, а именно: монодоменные [14-16] и периодически поляризованные [17, 18] кристаллы ниобата лития, периодически поляризованные кристаллы танталата лития [19], теллурид цинка [20], фосфид галия [21], арсенид галлия [22, 23], селенид галлия [24], ВА8Т [25], полимеры [26], газы [27] и др. Среди различных нелинейных сред, кристаллы ниобата лития продемонстрировали наибольшую эффективность оптико-терагерцово-го преобразования, при накачке фемтосекундными лазерными импульсами

с наклонным волновым фронтом; при этом эффективность преобразования достигала рекордных значений 10~2 [28].

Кристаллы ЫЫЪОз, благодаря таким свойствам как высокая величина нелинейной восприимчивости и большое двулучепреломление, зарекомендовали себя в качестве эффективной среды для использования в приборах нелинейной оптики. Нелинейная восприимчивость кристалла ЫИЪОз более чем на порядок выше, чем у кристаллов ZnTe, СаЛб, которые являются наиболее распространёнными при генерации широкополосных те-рагерцовых импульсов. В лазерных методах генерации и детектирования терагерцового излучения эффективность преобразования зависит от условий фазового синхронизма. Групповая скорость оптического импульса в кристаллах ытоъ (4?0пт) * 1.36 х Ю10 см/с) в два раза больше фазовой скорости терагерцового излучения ^ 6 х 109 см/с). Различие в дан-

ных скоростях приводит к невыполнению условий фазового синхронизма и малой величине длины когерентности 50дм). Поэтому эффективность преобразования в монодоменных кристаллах ниобата лития крайне мала. Для эффективной генерации в кристаллах ЫЫЪОъ существует два подхода: либо использовать неколлинеарный синхронизм, когда терагерцовый импульс генерируется под некоторым углом относительно распространения лазерного импульса [28, 29], либо использовать условия квазисинхронизма [17].

Условия квазисинхронизма заключаются в периодической смене ориентации вектора нелинейной поляризации в кристалле вдоль распространения возбуждающего импульса за счёт изменения направления нелинейной восприимчивости. Впервые квазисинхронная генерация импульсов терагерцового излучения наблюдалась при оптическом выпрямлении фемтосекунд-ных лазерных импульсов в периодически поляризованных кристаллах ниобата лития [РРЬИ) в [30]. Было показано, что в кристаллах РРЬМ имеет место генерация узкополосного терагерцового излучения с возможностью управления частотой как за счёт изменения температуры кристалла, так и за счёт изменения параметров доменной решётки. При этом всегда использовались кристаллы РРЬЫ с доменный структурой, наведённой методом переполяризации внешними электрическими импульсами в послеростовой период [31]. Кристаллы с послеростовой доменной структурой обладают чёткой доменной структурой с разбросом периодов порядка нескольких нанометров. Однако, вследствие большой коэрцитивной силы кристаллов ЬгА^бОз, размеры образца вдоль направления спонтанной поляризации доменов не могут быть более 0.5-0.7 мм. Длина волны терагерцового излучения (1ТГц = 300 мкм) сравнима с толщиной образца, что приводит к большой дифракционной расходимости, и, как было выяснено в диссертационной работе, к уменьшению эффективности детектирования терагерцо-вых импульсов в кристаллах с послеростовой доменной структурой. Кри-

сталлы PPLN с доменной структурой, наведённой в процессе роста, не имеют данного ограничения; поперечные размеры могут достигать нескольких сантиметров. Использование ростовых широкоапертурных кристаллов перспективно в плане дифракционной расходимости, при использовании мощных импульсов накачки, когда дальнейшая фокусировка может разрушить кристалл, и при детектировании. В диссертационной работе исследовались особенности генерации терагерцовых импульсов при оптическом выпрямлении фемтосекундных лазерных импульсов в кристаллах PPLN с ростовой и послеростовой доменной структурах.

Одним из наиболее распространённых методов детектирования тера-герцового излучения является электро-оптическое (ЭО) детектирование. ЭО детектирование основано на нелинейном взаимодействии терагерцово-го поля с фемтосекундным лазерным импульсом. Благодаря простоте метода, высокой чувствительности, комнатной температуре функционирования, широкому спектральному диапазону, данный метод сегодня является доминирующим в импульсной терагерцовой спектроскопии, технике построения изображений в терагерцовых лучах и др. Стандартный метод элек-тро-оптического детектирования, однако, имеет ограничения, связанные с требованиями к симметрии нелинейной среды. В основном, это изотропные среды с симметрией цинковой обманки, ZnTe [32], GaP [33] и подобные. При этом нелинейные кристаллы типа LiNbO^ или DAST с большой квадратичной восприимчивостью малоэффективны для использования в качестве ЭО сенсоров терагерцового излучения. В диссертационной работе был развит новый метод электро-оптического пробно-энергетического детектирования импульсов терагерцового излучения, который снимает ограничения с симметрии нелинейных кристаллов-детекторов [34, 35]. Применение данного метода позволило впервые экспериментально реализовать ЭО детектирование с использованием периодически поляризованных кристаллов ниобата лития [36].

Для управления процессами генерации и детектирования терагерцового излучения необходимо иметь точные данные об оптических свойствах нелинейных сред в данном диапазоне. Для этой цели обычно используются такие методы как Фурье-спектроскопия, спектроскопия когерентного антистоксово рассеяния света (КАРС), терагерцовая временная и частотная спектроскопии. Данные методы основаны на измерении параметров реальных терагерцовых полей, взаимодействующих с исследуемой средой. Так в работе [37] с помощью Фурье спектрометра, при использовании ртутной лампы в качестве источника и охлаждённого болометра - в качестве сенсора терагерцового излучения, были исследованы кристаллы ниобата лития конгруэнтного и стехиометрического состава в диапазоне от 30 до 150 см-1. Главным недостатком Фурье-спектроскопии является использо-

U ??

вание прямых методов генерации и детектирования терагерцового излучения, при которых мощности терагерцового излучения достаточно малы

и существует необходимость использовать гелиевые температуры охлаждения болометров. Данные ограничения сделали метод Фурье-спектроскопии сложным в использовании в терагерцовом диапазоне.

Временная спектроскопия является наиболее распространённым в настоящее время методом исследования сред в терагерцовой области. Данный метод основан на измерении спектров пропускания широкополосного тера-герцового излучения сквозь исследуемый объект; при этом измеряется не мощность прошедшей волы, а амплитуда терагерцового поля во времени, что несёт информацию как о действительной, так и мнимой частях диэлектрической проницаемости. Как правило, в данном методе спектроскопии используются источники и приёмники терагерцового излучения, основанные на оптическом выпрямлении фемтосекундных лазерных импульсов, оптическом пробое в газах или на процессах, происходящих в фотопрово-дящей антенне. В работе [38] продемонстрирован коммерчески доступный спектрометр, основанный на использовании многослойных фотопроводя-щих антенн при накачке фемтосекундными импульсами с длиной волны 1.55 мкм. При использовании в качестве источников и приёмников терагерцового излучения газов, в работе [39] была реализована временная спектроскопия во всем терагерцовом диапазоне от 0.3 до 10 ТГц. Одним из недостатков временной спектроскопии является малое разрешение по частоте 10"3). Для характеризации среды с высоким спектральным разрешением метод терагерцовой спектроскопии в пространстве частот (Frequency-Domain Spectroscopy) является более эффективным. Частотная спектроскопия основана на использовании узкочастотных перестраиваемых терагер-цовых полей. Так в работе [40] при использовании двойной оптической гребёнки спектральное разрешение спектроскопии достигало значений 10~12.

Метод спектроскопии когерентного антистоксово рассеяния света основан на четырёхволновом взаимодействии квазигармонических лазерных импульсов в нелинейной среде. Основное отличие от частотной терагерцовой спектроскопии заключается в том, что терагерцовое излучения генерируется и детектируется в одном и том же кристалле. В работах [41, 42] методом спектроскопии КАРС были исследованы эффекты затухания те-рагерцовых поляритонов в кристалле ниобата лития. Было показано, что дефектная структура кристаллов LiNbOs имеет собственные моды в терагерцовом диапазоне, что проявляется в сильном влиянии качества кристалла на дисперсию действительной и мнимой частей диэлектрической проницаемости. Вследствие чего