Генерация терагерцового излучения в кристаллах с пространственно-неоднородным распределением нелинейно-оптической восприимчивости

Тучак, Антон Николаевич

Генерация терагерцового излучения в кристаллах с пространственно-неоднородным распределением нелинейно-оптической восприимчивости тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

Тучак, Антон Николаевич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.01 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Генерация терагерцового излучения в кристаллах с пространственно-неоднородным распределением нелинейно-оптической восприимчивости»

Автореферат диссертации на тему "Генерация терагерцового излучения в кристаллах с пространственно-неоднородным распределением нелинейно-оптической восприимчивости"

0і

на правах рукописи

Тучак Антон Николаевич

ГЕНЕРАЦИЯ ТЕРАГЕРЦОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В КРИСТАЛЛАХ С ПРОСТРАНСТВЕННО-НЕОДНОРОДНЫМ РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ НЕЛИНЕЙНО-ОПТИЧЕСКОЙ ВОСПРИИМЧИВОСТИ

Специальность 01.04.01 - приборы и методы экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

6 МАР 2013

Москва - 2013

005050348

Работа выполнена в Международном учебно-научном лазерном центре Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова

Научный руководитель:

Доктор физико-математических наук, в.н.с. Китаева Галия Хасановна.

Научный консультант:

Доктор физико-математических наук, профессор Шепелев Андрей Вадимович.

Официальные оппоненты:

Доктор физико-математических наук, профессор Гордиенко Вячеслав Махайлович, физический факультет МГУ имени М.В. Ломоносова.

Доктор физико-математических наук, профессор Маврин Борис Николаевич, Институт спектроскопии Российской академии наук.

Ведущая организация:

Институт общей физики им. A.M. Прохорова РАН.

Защита состоится 13 марта 2013 года в 14:00 часов на заседании диссертационного совета Д. 002.135.01 на базе Научно-технологического центра уникального приборостроения РАН: 117342, Москва, улица Бутлерова, 15.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НТЦ УП РАН. Автореферат разослан «. февраля 2013 года

Учёный секретарь диссертационного совета Д 002.135.01, кандидат физ.-мат. наук ¿,

Е.А. Отливанчик

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Электромагнитное излучение терагерцового диапазона сегодня представляет большой интерес благодаря уникальным возможностям, открывающимся при использовании этого излучения в спектроскопии и томографии, высокочувствительных устройствах распознавания состава и состояния среды, технике построения изображений скрытых объектов. Успех этих приложений теоретически объясняется двумя факторами: особенностями прохождения терагерцового излучения через среды - оно хорошо отражается от проводящих покрытий и почти свободно проходит через многие непроводящие объекты, и тем, что в этот диапазон частот попадают "контрольные" резонансные частоты возбуждения многих практически важных материалов, химических соединений и молекул. Проводя диагностику на конкретных частотах, характерных для линий терагерцового поглощения исследуемого материала, по спектру отраженного или прошедшего импульсного излучения можно судить о составе и особенностях строения объектов, определять содержание примесей в сверхмалых количествах, а также исследовать динамику протекания физических, химических и биологических процессов. Однако, несмотря на большие усилия, затрачиваемые сегодня научными коллективами ряда стран, прогресс в жизненно важных областях использования терагерцовых волп пока затруднен. До сих пор отсутствуют компактные, экономичные и оптимальные по параметрам те-рагерцовые излучатели и детекторы, которые бы полностью удовлетворяли задачам широкого практического применения терагерцовой диагностики.

К настоящему моменту нелинейно-оптические методы генерации терагерцового излучения находятся в ряду наиболее эффективных среди методов, разработанных и готовых к применению. Рекордные значения эффективности оптико-терагерцового преобразования обеспечивает метод, основанный на параметрической генерации разностных частот спектральных компонент фемтосекундных лазерных импульсов. Этот метод в применении к генерации излучения терагерцовых частот в литературе получил название "метод оптического выпрямления" (ОВ). С 2000 года известны работы по генерации терагерцового излучения методом ОВ в периодиче-

ски поляризованных кристаллах ниобата лития. В кристаллах этого типа периодически меняется знак квадратичной восприимчивости х® на границах доменов благодаря развороту кристаллографических оссй. За счет регулярной доменной структуры (РДС) удается скомпенсировать расстройку фазового синхронизма оптических и терагерцовых волн. В кристаллах такого типа была продемонстрирована генерация узкополосного терагер-цового излучения с высокой спектральной плотностью мощности. Однако этим принципиально не исчерпываются возможности, открывающиеся при генерации терагерцового излучения методом ОВ в кристаллах с пространственной модуляцией х'2'- Из общей теории квазисинхронных нелинейно-оптических преобразований следует, что за счет создания апериодической пространственной модуляции квадратичной восприимчивости х^ возможно изменять спектральные свойства генерируемого излучения в широких пределах. Диссертационная работа посвящена экспериментальному изучению условий реализации этих возможностей.

В диссертационной работе экспериментально исследованы генераторы терагерцового излучения на основе кристаллов ниобата лития с регулярной и квазирегулярной доменной структурой. Рассматриваются вопросы характеризации спектральных свойств кристаллов ниобата лития, изготовленных по различным технологиям. Представлены методы как прямого, так и косвенного анализа спектрального отклика кристаллов, а также интегральной оценки качества РДС. Экспериментально продемонстрированы возможности подхода на основе функции нелинейной передачи кристалла (Т-функции) для описания спектрального отклика кристаллов с квазирегулярной доменной структурой и управления спектром выходного излучения.

До сих пор предполагалось, что для реализации ОВ необходимы сложные фемтосекундные установки. В данной работе метод оптического выпрямления был применен для получения терагерцового излучения при накачке кристалла-генератора широкополосными импульсами наиосе-кундной длительности. При этом были получены эффективности преобразования сравнимые с эффективностями других методов, работающих в том же диапазоне мощностей. Таким образом, сделан первый шаг к созданию

терагерцовых источников с использованием более простых и компактных лазеров. При этом также удалось сохранить преимущество метода ОВ, связанное с возможностью управления спектром терагерцового излучения за счет изменений распределения х® в кристалле.

Существуют различные методы изготовления кристаллов с пространственной модуляцией нелинейной восприимчивости. Наиболее распространенный - метод переполяризации монодоменного кристалла во внешнем электрическом поле. Альтернативный подход - создание РДС в процессе роста кристалла. Благодаря большим поперечным размерам для терагерцовых применений более удобны и предпочтительны кристаллы, изготовленные по второй технологии. Однако, точно контролировать толщину доменов в процессе роста сложно. В связи с этим после изготовления кристалла необходимо исследовать качество доменной структуры в объеме кристалла и ее влияние на терагерцовый отклик. Попытки измерения такого отклика производились ранее в процессах при генерации второй гармонии, спонтанного параметрического рассеяния света на верхней поляритонной ветви или методом терагерцовой спектроскопии временного разрешения (ТСВР). Однако в этих работах (кроме ТСВР) не учитывается наличие поглощения на терагерцовой частоте, что приводило к неточностям. В данной работе для исследования кристаллов использовался метод спонтанного параметрического рассеяния света (СПР) на нижней поляритонной ветви и наличие поглощения было учтено. В отличии от ТСВР, предложенный метод не нуждается в источниках или приемниках терагерцового диапазона.

Из сказанного выше следует актуальность работы, обусловленная как фундаментальным интересом к проблеме получения и изучения свойств терагерцового излучения, так и возможным практическим применением в области развития методов генерации терагерцового излучения и терагерцовой спектроскопии.

Целью диссертационной работы являлось исследование условий генерации терагерцового излучения в кристаллах с одномерной пространственной модуляцией нелинейно-оптической восприимчивости:

1. влияния характера пространственной модуляции нелинейно-оптической восприимчивости на спектральные характеристики генерируемого излучения,

2. возможности управления спектрами генерации в режиме оптического выпрямления импульсов накачки,

3. возможности генерации квазинепрерывного излучения методом оптического выпрямления широкополосного оптического излучения.

На основании этого были сформулированы следующие задачи диссертационной работы:

1. Обобщение выражений для спектральных откликов кристаллов-генераторов и кристаллов-детекторов для случая генерации и детектирования квазинепрерывного терагерцового излучения с использованием широкополосных Фурье-неограниченных импульсов оптической накачки.

2. Измерение спектральных свойств мультичастотной генерации в кристалле с известным распределением методом терагерцовой спектроскопии временного разрешения и сравнение со спектральным откликом, рассчитанным методом Т-фуикции.

3. Исследование эффективности генерации квазинепрерывного терагерцового излучения за счет выпрямления широкополосных Фурье-неограниченных импульсов наносекундной длительности в периодически поляризованных кристаллах ниобата лития и монокристаллах теллурида цинка.

4. Исследование спектральных свойств кристаллов-генераторов терагерцового излучения, включая однородное и неоднородное уширение спектров генерации, методом спонтанного параметрического рассеяния света на нижней поляритонной ветви.

5. Исследование возможности диагностики дефектов доменной структуры кристаллов по временным зависимостям сигнала в нелинейно-оптической схеме фемтосекундной накачки-зондирования.

Новизна диссертационной работы заключается в следующих положениях:

1. Развита методика использования спонтанного параметрического рассеяния света на нижней поляритонной ветви для получения информации о спектре терагерцового отклика кристаллов с регулярной доменной структурой.

2. Показана возможность диагностики дефектов доменной структуры периодически поляризованных кристаллов по временным зависимостям сигнала в схеме фемтосекундной накачки-зондирования.

3. Осуществлена квазинепрерывная генерация терагерцового излучения методом оптического выпрямления широкополосных Фурье-неограниченных импульсов. Показано, что эффективность генерации сравнима с эффективностью других методов, работающих в том же диапазоне мощностей накачки.

Научная и практическая значимость диссертации:

1. Разработана новая схема генерации квазинепрерывного терагерцового излучения, основанная на оптическом выпрямлении широкополосных Фурье-неорганиченных импульсов. Новая схема более компактна, чем традиционные схемы бигармонической накачки, и позволяет управлять спектром генерации за счет доменной структуры кристалла.

2. Развит метод спектроскопии спонтанного параметрического рассеяния света на нижней поляритонной ветви, позволяющий определять спектральные характеристики кристаллов-генераторов с учетом однородного и неоднородного уширения линии генерации и контролировать качество доменной структуры кристаллов.

3. Показано, что метод фемтосекундной накачки-зондирования может быть использован для обнаружения дефектов поляризованной структуры кристалла.

Положения, выносимые на защиту:

1. Использование кристаллов с пространственной модуляцией нелинейно-оптической восприимчивости х^{х) позволяет получать терагерцовое излучение с заданным спектральным составом при генерации методом оптического выпрямления Фурье-ограниченных фем-тосекундных импульсов и широкополосных Фурье-неограниченных импульсов наносскундной длительности.

2. Функция нелинейной передачи кристалла, однозначно связанная с распределением вносит основной вклад в спектральные свойства терагерцового излучения, генерируемого при квазисинхронном оптическом выпрямлении широкополосных лазерных импульсов.

3. При оптическом выпрямлении широкополосных Фурье-неограничепных импульсов наносекундной длительности генерируется квазинепрерывное терагерцовое излучение. Достигнутая эффективность сравнима с обычными методами генерации разностной частоты, работающими в том же диапазоне мощностей накачки.

4. Метод спонтанного параметрического рассеяния света на нижней по-ляритонной ветви позволяет проводить оценку качества доменной структуры периодически поляризованных кристаллов, а также дает информацию об однородном и неоднородном уширении функции нелинейной передачи.

Обоснованность и достоверность результатов определяется использованием апробированных экспериментальных методик. Экспериментальные данные подтверждены теоретическими расчётами, основанными на адекватно выбранных физических моделях анализируемых процессов, а также не противоречат результатам других групп исследователей. Результаты экспериментальных и теоретических исследований неоднократно обсуждались на семинарах и докладывались на специализированных конференциях по проблемам, связанным с тематикой диссертационной работы. Большая часть результатов опубликована в международных журналах.

Апробация работы

Результаты работы прошли апробацию на следующих международных и российских конференциях:

1. Международная конференция "Оптика - 2009", Санкт-Петербург, Россия (2009).

2. Конференция "Всероссийский семинар по радиофизике миллиметровых и субмиллиметровых волн", Нижний Новгород, Россия (2009).

3. Международная конференция "V workshop ad memoriam of Carlo Novero " (IQIS 2010), Турин, Италия (2010).

4. Международная конференция "XIX Международная конференция по когерентной и нелинейной оптике, лазерам, их приложениям и технологиям" (ICONO/LAT 2010), Казань, Россия (2010).

5. Международная конференция "2nd NSC-RFBR Symposium on Nonlinear Optics a.nd Photonics", Синчжоу, Тайвань (2011).

6. Международная конференция "2nd German-Russian Laser Symposium", Гёссвайнштайн, Германия (2011).

7. Международной конференции "Оптика - 2011", Санкт-Петербург, Россия (2011).

8. Международная конференция "2-nd International Conference "Terahertz and Microwave radiation: Generation, Detection and Applications", Москва, Россия (2012).

9. Международная конференция "International Conference on Advanced Laser Technologies", Тун, Швейцария (2012).

Публикации

По теме диссертации опубликованы 9 научных работ, включая 4 работы в рецензируемых журналах из списка ВАК, перечень которых приведён в конце автореферата.

Личный вклад автора

Все результаты, представленные в диссертационной работе, получены автором лично либо при его непосредственном участии. Постановка задач, интерпретация полученных результатов и формулировка выводов исследования осуществлялись совместно с научным руководителем и другими соавторами публикаций.

Структура и объём диссертационной работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 95 наименований, изложена на 138 страницах и содержит 42 рисунка и 4 таблицы.

Во введении приводится обоснование выбора темы диссертационной работы и её актуальности. Сформулированы задачи диссертационной работы, новизна, научная и практическая значимость, содержатся сведения об апробации работы и её структуре. Сформулированы выносимые на защиту положения и приведён список публикаций.

Первая глава «Управление спектральными характеристиками нелинейно-оптических терагерцовых генераторов и детекторов в режиме квазисинхронизма» посвящена рассмотрению нелинейно-оптических процессов в средах с пространственной модуляцией квадратичной восприимчивости. В первом параграфе вводятся понятия функции нелинейной передачи кристалла и С-фактора накачки:

где Хт - пространственные Фурье-гармоники распределения квадратичной восприимчивости, / - форм-фактор, Д(Г2) - безразмерная расстройка фазового синхронизма, Е(ы) - амплитуда спектральной компоненты электрического поля накачки.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

оо

(1)

Во втором параграфе приводятся выражения для интенсивности генерируемого терагерцового излучения в процессе оптического выпрямления в терминах параметров (1) и (2). В первом пункте приводится известное из предыдущих работ выражение для случая Фурье-ограниченных импульсов накачки - фемтосекундпых импульсов. Во втором пункте рассматривается интенсивность генерации при накачке кристалла-генератора широкополосными Фурье-неограниченными импульсами. Показано, что выражение для интенсивности терагерцового излучения имеет вид:

4тгО2 Г 2

I(il,L/2) = (3)

nzcz

Здесь L - длина кристалла, п - показатель преломления на терагерцо-вой частоте Г2, а - поглощение па терагерцовой частоте. В случае оптического выпрямления широкополосных Фурье-неогранпчепиых импульсов абсолютная величина С-фактора ниже, чем в случае оптического выпрямления фемтосекундпых импульсов. Зависимость С-фактора от интенсивности спектральных компонент накачки может быть описала следующим образом:

/00

1(ш)1(ш - n)dcj. (4)

эо

Коэффициент пропорциональности определяется распределением фаз спектральных компонент широкополосного импульса накачки.

Во третьем параграфе получены общие выражения для сигнала с нелинейно-оптического детектора. В первом пункте описывается метод временного стробирования для детектирования терагерцового излучения в фемтосекундпых схемах. Во втором пункте приведены выражения для сигналов в случае детектирования терагерцового излучения па основе нелинейно-оптического преобразования частоты.

В четвертом параграфе показаны возможности управления спектром терагерцового излучения как за счет изменения параметров нелинейной среды, так и за счет изменения свойств излучения накачки. Показаны возможности для получения как широкополосной, так и узкополосной генерации.

Вторая глава «Спектроскопия спонтанного параметрического

рассеяния света как метод определения рабочих параметров и качества кристаллов для генерации излучения терагерцового диапазона» посвящена исследованию спектрального отклика периодически поляризованных кристаллов ниобата лития и интегральной оценке качества доменной структуры на основе спектров СПР на нижней поляритон-ной ветви. В первом параграфе представлен обзор основных нелинейно-оптических сред, использующихся для генерации терагерцового излучения и обозначены основные параметры кристаллов для получения эффективной генерации. В конце параграфа дано краткое описание технологий изготовления периодически поляризованных кристаллов ниобата лития и перечислены методы, применяющиеся в настоящее время для характерпзацни качества доменной структуры.

Во втором параграфе изложена основная идея метода спонтанного параметрического рассеяния света на нижней поляритонной ветви. Описано влияние поглощения па спектральный отклик. Поглощение на тера-герцовой частоте приводит к появлению однородного уширения в спектре Т-функции, связанного с ушпрением форм-фактора ¡(6). В отсутствии поглощения форм-фактор /(5) в выражении (1) имеет форму зтс(А/2). При наличии поглощения у величины д появляется мнимая составляющая. Данное обстоятельство приводит к уширеншо каждой отдельной линии в сумме (1) и ее форма становится ближе к лоренцевой. В терагерцовом диапазоне поглощение имеет значительную величину, в связи с чем вклад однородного уширения вспектральный отклик может иметь значительную величину. На рис. 1а и рис. 16 приведены спектральные отклики, измеренные методом СПР на верхней (данные из литературы, без учета терагерцового поглощения) и нижней ноляритоппых ветвях (расчет из диссертационной работы). Сравнение кривых убедительно демонстрирует необходимость проведение СПР-характеризации в условиях когда холостые волны попадают в тера-герповый диапазон, т.е. рассеяние на нижней поляритонной ветви.

В третьем параграфе представлена экспериментальная установка для измерения частотно-угловых спектров рассеяния на нижней поляритонной ветви. Основная особенность, возникающая при переходе от рассеяния на верхней ветви к рассеянию на нижней, заключается в том, что сигнальное

Частота. ТГц Частота, ТГц

а) б)

Рис. 1. а) Спектральный отклик апериодически поляризованного образца, восстановленный по спектру СПР на верхней поляритонной ветви с учетом только однородного уширспия б) Спектральный отклик образца, восстановленный по спектру СПР па иижпей поляритонной ветви с учетом однородного и неоднородного уширений.

излучения может иметь отстройку по частоте от излучения накачки всего порядка 10 см^1. Поэтому необходимо использовать узкополосиый фильтр для отсечения излучения накачки. В диссертационной работе для этой цели используется кварцевая ячейка с парами йода, нагреваемая до необходимой температуры.

В четвертом параграфе приведены экспериментальные спектры для ряда образцов (см. табл. 1), изготовленных по ростовой и послеростовой технологиям. На основе нолученых частотно-угловых спектров получены спектральные отклики кристаллов в терагерцовом диапазоне и проведено сравнение качества доменной структуры в различных частях кристалла. По измеренному соотношению сигнал/шум (таблица 2) в области квазисинхронных перестроечных кривых были определены участки кристаллов, имеющих наилучшее качество доменной структуры. Центральные частоты и направление генерации терагерцовых волн в исследованных образцах представлены в таблице 1. На рис. 2 для сравнения приводятся отклики одного из образцов, полученные двумя различными способами: непосредственным измерением спектра генерации при оптическом выпрямлении фемтосекундных импульсов, и расчетом по спектру СПР на нижней

Допирование сі, мкм Технология Частота, ТГц

Образец 1 У 26-30 Ростовая -

Образец 2 У, мё 78 Ростовая 0.57, назад 1.56, вперед

Образец 3 V, м5 78 Ростовая 0.63, назад 1.62, вперед

Образец 4 V, м6 70 Ростовая 0.70 назад 1.85, вперед

Образец 5 риге 65 Послеростовая 0.75, назад 1.90, вперед

Таблица 1. Образцы, исследованные методом СПР на нижней поляритон-ной ветви (Хритр = 514.5 нм). (1 - период доменной структуры, указанный изготовителем.

Часть 1 Часть 2 Часть 3 Часть 4

Образец 1 1.56* 1.49 1.05

Образец 2 1.57* 1.44 1.30

Образец 3 1.20 1.46* 1.38

Образец 4 1.38 1.42* 1.29 1.18

Таблица 2. Данные по соотношениям С/Ш. * - отмечены наиболее оптимальные для генерации части кристаллов.

поляритонной ветви. Хорошо видно, что расчет спектрального отклика с учетом однородного и неоднородного уширений по спектрам спонтанного рассеяния на нижней поляритонной ветви дает тот же результат, что и непосредственное измерение методом терагерцовой спектроскопии временного разрешения. Однако, преимущество заключается в том, что ни источники, ни приемники терагерцового излучения для измерений методом СПР не требуются.

Третья глава «Терагерцовая спектроскопия временного разрешения как метод исследования апериодически поляризованных

-терагерцовая временная спектроскопия

■ расчет по спектрам рассеяния на поляритонах

1,6 1,8 2,0 Частота, ТГц

Рис. 2. Спектр генерации периодически поляризованного кристалла при накалке фемтосе-кундным лазером на длине волны 800 нм и спектр, полученный па оспове Т-функцпп, измеренной методом СПР на нижней поляритошюй ветви.

кристаллов терагерцовых генераторов» посвящена исследованию спектральных характеристик терагерцовых генераторов, основанных на апериодически поляризованных кристаллах ниобата лития. В первой части представлены результаты метода терагерцовой спектроскопии временного разрешения (ТСВР) по характеризации спектра мультичастот-ного генератора, построенного на основе апериодически поляризованного кристалла ниобата лития. Во второй части главы представлен метод накачки-зондирования, позволяющий определять внутренние дефекты доменной структуры и их влияние на спектральный отклик методом накачки-зондирования. При использовании метода накачки-зондирования необходимость в отдельном кристалле-детекторе отсутствует, так как генерация и детектирование производятся в одном и том же образце.

В первом параграфе описан принцип действия метода ТСВР, приведена схема и даны параметры экспериментальной установки. Спектр сигнала, регистрируемого с помощью кристалла-детектора молено представить

в виде:

(П). (5)

Здесь - спектральный отклик кристалла-генератора, Sdet(- спек-

тральный отклик кристалла-детектора, Tsampie(iY) - коэффициент пропускания тракта между генератором и детектором. Были собраны две конфигурации установки. В первой использовались кристаллы ZnTe в качестве широкополосных генератора и детектора терагерцового излучения и измерялось пропускание фильтров Tsampie(Q,). Во второй конфигурации использовался апериодически поляризованный кристалл ниобата лития (АПНЛ) в качестве мулитичастотного генератора и измерялся его спектральный отклик 5'fferl(f2), который был значительно уже Sdet(Cl).

Во втором параграфе производится сравнение экспериментально полученного спектрального отклика АПЛН с теоретической зависимостью. Теоретическая зависимость рассчитывалась методом Т-функции по известному распределению квадратичной восприимчивости Теоретическая и экспериментальная зависимости терагерцового отклика представлены на рис. 3. Количество максимумов, их ширина и высота в экспериментальной и теоретической зависимостях совпадают. Расхождения можно объяснить неточностью значений показателей преломления и поглощения на терагерцовой частоте, использововавшихся прн расчете спектрального отклика по известному распределению х^2Кх)- Таким образом, можно заключить, что описание спектральных свойств кристалла-генератора через функцию нелинейной передачи в процессе оптического выпрямления позволяет адекватно предсказать форму спектра генерации. В первой конфигурации установки измерено пропускание фильтров, использовавшихся для ослабления квазинепрерывного терагерцового излучения при его регистрации болометром.

В третьем параграфе дано описание принципа действия метода фем-тосекундной накачки-зондирования ("pump-probe"), приведена экспериментальная установка и ее параметры. Описаны методы анализа временных зависимостей сигнала с детектора для получения информации о спектральных откликах различных участков доменной структуры кристалла.

В четвертом параграфе представлены результаты анализа наличия

Эксперимент Расчет

Частота терагерцового излучения, ТГц

РиС. 3. Зависимость спектральной мощности мультнчастотиой генерации от частоты для апериодически поляризованной структуры.

Частота, ТГц Частота, ТГц

а) б)

Рис. 4. а) Спектральный отклик образца без дефектов доменной структуры б) Спектральный отклик, исслодуемог'о образца, эксперимент и теоретическое моделирование.

дефектов доменной структуры периодически поляризованного ниобата лития, изготовленного по послсростовой технологии. По появлению дополнительных частот па экспериментальных спектрах был сделан вывод о возможных нарушениях периодичности доменной структуры и определены дефекты периодичности структуры. Затем спектральный отклик рассчитывался методом Т-функции по предполагаемому распределению квадратичной восприимчивости и сравнивался с откликом, полученным в эксперименте. Теоретическая и экспериментальная зависимости спектрального

отклика приведены на рис. 4. Сопоставлением теоретической и экспериментальной зависимостей были выявлены участки доменной структуры с нарушением периодичности. Дальнейший вейвлет-анализ временных зависимостей подтвердил полученный результат.

Четвертая глава «Генерация квазинепрерывного излучения те-рагерцового диапазона методом оптического выпрямления» посвящена экспериментальному исследованию генерации квазинепрерывного терагерцового излучения за счет выпрямления широкополосных Фурье-неограниченных импульсов. Данный подход к генерации квазинепрерывного терагерцового излучения до сих пор не исследовался. В работе производится сравнение этого метода с другими нелинейно-оптическими методами генерации квазинепрерывного терагерцового излучения, а также с методом оптического выпрямления фемтосекундных Фурье-ограниченных импульсов. Эффективность генерации исследовалась в монодоменпых кристаллах теллурида цинка и кристаллах ниобата лития с регулярной доменной структурой, изготовленных по различным технологиям.

В первом параграфе дан обзор основных методов получения терагерцового излучения, предлагаемых для использования в настоящее время.

Во втором параграфе приведены схема и принцип действия установки, использовавшейся для нолучення квазинепрерывного терагерцового излучения методом оптического выпрямления широкополосных Фурье-неограниченных импульсов. В качестве источника таких импульсов использовался лазер па кристалле 1лР:Рг с центрами окраски. Выходное излучение имело следующие характеристики: ширина спектра генерации - 20 им, длительность импульса - 25 не, энергия в импульсе - 0.8 мДж. Оптическое выпрямление проводилось в кристаллах 2пТс, ]\^:У:1лМЬОз, 1лМЬ03. Мощность терагерцового излучения измерялась при помощи сверхпроводящего болометра на горячих электронах.

В третьем параграфе исследуется широкополосная генерация терагерцового излучения. Генерация осуществляется в моподоменном кристалле теллурида цинка. Исследуется угловая зависимость интенсивности генерации от угла между поляризацией накачки и осью кристалла. На рис.

5 представлены данные эксперимента и аппроксимация теоретической зависимостью. Расчет теоретической зависимости сделан на основании вида тензора квадратичной восприимчивости кристалла:

а) б)

Рис. 5. а) Расположение кристаллографических осей в 2пТе <110>. Угол 0 измеряется в плоскости <110>. б) Угловая зависимость эффективности генерации в кристалле гпТе <110> от угла между вектором поляризации накачки и осью кристалла Ъ. Точки - эксперимент, линия - расчет на основе теоретической зависимости.

ІтнЛд) ~ сРиІ2ритр[згпЩ 1 + соз29)}. (6)

Максимально достигнутая эффективность преобразования составила величину (2.6 ± 0.5) • Ю-9 при пиковой мощности излучения накачки 18 кВт.

В четвертом параграфе исследуется генерация квазинепрерывного те-рагерцового излучения в кристаллах ниобата лития. Показано, что эффективность генерации в кристаллах, изготовленных по ростовой и послеросто-вой технологиям, практически одинакова. Измерена зависимость мощности генерируемого терагерцового излучения от энергии в импульсе накачки. На рис. 6 представлены данные эксперимента и их аппроксимация квадратичной зависимостью. Видно, что экспериментальная зависимость имеет квадратичный характер, согласующийся с выражениям (3) и (4). Максимальная величина эффективности ((4 ± 0.7) • 10~9 при пиковой мощности излучения накачки 18 кВт), полученная в эксперименте, сравнивалась с ре-

зультатами других работ (см. рис. 7), использующих более традиционные подходы. Как видно из рис.7, предложенный метод позволяет достигать эффективности преобразования, сравнимой с другими методами, работающими в области тех же уровней мощностей накачки.

Рис. 6. Зависимость пиковой мощности ТТц излучения от энергии в импульсе оптической накачки.

10 т

10=1 Ю-'т 10* 10"'

® *

сс'л оч д 1*

10° 101 102 107 1 0е ю9 ю10 ю11 ю12

Пиковая мощность оптического импульса, кВт

Рис. 7. Сравнение эффективности различных квазинепрерывных и фемтосекундных схем. Обозначения: С^С\У ОН - результат, полученный в диссертационной работе, (1-6) - результаты из работ по кпазинепрерьгвной генерации разностной частоты методом бигармонической накачки, (7-11) - результаты из работ, полученные в фемтосекундных схемах методом оптического выпрямления.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертационной работы:

1. Показано, что использование кристаллов с пространственной модуляцией нелинейно-оптической восприимчивости позволяет осуществлять генерацию импульсного и квази-непрерывного излучения в различных областях терагерцового диапазона. Это возможно при генерации в режиме оптического выпрямления как Фурье-ограниченных, так и Фурье-неограниченных лазерных импульсов накачки. При этом характеристикой кристалла, ответственной за форму спектра, является функция нелинейной передачи (Т-функция), зависящая от расстройки фазового синхронизма, поглощения терагерцовых волн и пространственного распределения

2. Экспериментально подтверждена прямая связь спектра генерации со спектром Т-функции при генерации мультичастотного терагерцового излучения в апериодически поляризованном кристалле с заранее известным распределением х'2^ (х) в режиме оптического выпрямления фемтосекундных импульсов накачки.

3. Впервые применен метод оптического выпрямления широкополосных Фурье-неограниченных лазерных импульсов наносекундной длительности для генерации квазинепрерывного терагерцового излучения. При пиковой мощности оптической накачки 18 кВт достигнуты энергетические эффективности преобразования (2.6 ± 0.5) ■ 1СГ9 в однородном кристалле теллурида цинка и (4 ± 0.7) • 10~9 в периодически поляризованных кристаллах ниобата лития.

областей ростовых доменных структур в кристаллах (Mg:Y:LiNb03, Mg:LiNbC>3), предназначенных для генерации терагерцового излучения, а также при измерении частотных полос генерации в прямом и встречном направлениях в кристаллах ниобата лития с доменной структурой, изготовленной по различным технологиям.

5. Показана возможность диагностики дефектов доменной структуры периодически поляризованных кристаллов на основе анализа временных зависимостей сигналов в схеме фемтосекундной накачки-зондирования ("pump-probe"). Данный подход применен для выявления областей с нарушением периодичности в кристалле ниобата лития с доменной структурой, наведенной методом переполяризации в электрическом поле.

Публикации в рецензируемых журналах:

1. W.M. Liu, Н.С. Guo, G.Kh. Kitaeva, A.N. Tuchak, Y.H. Yan, and S.H. Tang, Characterization of narrow-band terahertz shaping in periodically poled Mg:LiNb03 using multipulse pump probe // Journal of Applied Physics, v.105, p.033106 (2009).

2. W.M. Liu, A.N. Tuchak, Y.H. Yan, G.Kh. Kitaeva, and S.H. Tang, Characterization of domain structure of periodically poled Mg:LiNb03 through multifrequency terahertz generation // Optics Letters, v. 34, No. 13, pp.2027-2029 (2009).

3. Г.Х. Китаева, A.H. Тучак, A.H. Ленин, Генерация и детектирование терагерцового излучения с помощью периодически и апериодически поляризованных кристаллов // Оптика и спектроскопия 107, 553-560 (2009).

4. А.Н. Тучак, Г.Н. Гольцман, Г.Х. Китаева, А.Н. Ленин, С.В. Селиверстов, М.И. Финкель, А.В. Шепелев, П.В. Якунин, Генерация терагер-цовых импульсов наносекундной длительности методом оптического выпрямления // Письма в ЖЭТФ, т. 96, № 2, 97-101 (2012)

Публикации в трудах конференций:

1. Г.Х. Китаєва, А.Н. Тучак, П.В. Якунин, Генерация и детектирование терагерцового излучения в периодически поляризованных кристаллах с помощью импульсов лазерного излучения наносекундной длительности // Тезисы докладов Всероссийского семинара по радиофизике миллиметровых и субмиллиметровых волн, Нижний Новгород, с. 31-32 (2009).

2. А.Н. Тучак, П.В. Якунин, Г.Х. Китаєва, Генерация и детектирование терагерцового излучения в периодически поляризованных кристаллах с помощью импульсов лазерного излучения наносекундной длительности // Труды VI Международной конференции «Оптика -2009», Санкт-Петербург, с.123-124 (2009).

3. G.Kh. Kitaeva, S.P. Kovalev, A.N. Tuchak, P.V. Yakunin, Non-linear optical methods of quasi-phase-matched terahertz wave generation and detection // Book of abstracts of the 2nd NSC-RFBR Symposium on Nonlinear Optics and Photonics, Hsinchu, Taiwan, p.3. (2011).

4. G.Kitaeva, V. Kornienko I. Naumova, A. Shepelev, A. Tuchak, P. Yakunin, Characterization of nonlinear crystals for generation and detection of terahertz waves using spontaneous parametric down-conversion // Book of abstracts of the 2nd German-Russian Laser Symposium, Gossweinstein, Germany, p.10. (2011).

5. Г.Х. Китаєва, B.B. Корниенко, А.Н. Тучак, П.В. Якунин, Характе-ризация периодически поляризованных кристаллов, предназначенных для измерения абсолютной яркости терагерцового излучения // Сборник трудов VII Международной конференции молодых ученых и специалистов «Оптика - 2011», т.2 «Терагерцовая оптика и спектроскопия», «Оптические метаматериалы, фотонные кристаллы и наноструктуры», Санкт-Петербург, с. 595-596 (2011).

Подписано в печать: 31.01.2013

Заказ № 8114 Тираж - 100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www. auto référât, ru

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Тучак, Антон Николаевич

Введение

Глава 1 Управление спектральными характеристиками нелинейно-оптических терагерцовых генераторов и детекторов в режиме квазисинхронизма

§ 1.1 Связь параметров нелинейной среды и падающего оптического излучения со спектральными характеристиками устройств, основанных на трехчастотном параметрическом взаимодействии

§ 1.2 Генерация терагерцового излучения при оптическом выпрямлении п. 1.2.1 Фуре-ограниченные импульсы (фемтосекундные импульсы) лазерной накачки. п. 1.2.2 Широкополосные Фурье-неограниченные импульсы лазерной накачки

§ 1.3 Квазисинхронное детектирование в условиях накачки ультракороткими импульсами или квазинепрерывным излучением п. 1.3.1 Временное стробирование (фемтосекундная накачка) . 27 п. 1.3.2 Нелинейно-оптическое преобразование частоты (квазинепрерывная накачка).

§ 1.4 Управление спектральными характеристиками квазисинхронных генераторов и детекторов за счет нелинейной функции передачи кристалла или спектра оптической накачки

Введение диссертация по физике, на тему "Генерация терагерцового излучения в кристаллах с пространственно-неоднородным распределением нелинейно-оптической восприимчивости"

Терагерцовые волны занимают полосу электромагнитного спектра между ИК и СВЧ диапазонами, им соответствуют частоты от 0.1 до 10 ТГц, т.е. длина волны составляет от 3 до 0.03 мм. В последнее время данный диапазон активно изучается, появляется много новых исследований, что вызвано широкими возможностями прикладного и фундаментального применения. Изначально наибольший интерес представляли такие фундаментальные области применения, как спектроскопия и астрономия. Большая часть вещества вселенной имеет температуру величиной в несколько градусов Кельвина. Излучение абсолютно черного тела с такой температурой большей частью попадает в терагерцовый диапазон. Максимум распределения частот реликтового излучения приходится на частоту 160 ГГц. В связи с этим изучение данного диапазона позволит астрофизикам лучше понять первоначальную структуру вселенной, образовавшейся после Большого Взрыва [1].

Другой фундаментальной областью применения является спектроскопия колебательных и вращательных переходов. Собственные частоты колебательных и вращательных переходов многих сложных молекул попадают в терагерцовый диапазон. Терагерцовая спектроскопия позволяет определять конформационные модификации молекул. Многие вещества имеют характерные терагерцовые спектры ("спектральные подписи"), что позволяет на основе спектра производить идентификацию веществ. Данная особенность может быть применена в системах безопасности. Другим преимуществом терагерцового излучения является малая энергия кванта излучения, которая, в отличие от рентгеновских лучей, не приводит к ионизации и разрушению вещества. Данное свойство важно при исследовании различных биологических объектов. Например, была исследована применимость терагерцовой спектроспопии для анализа ряда белков, ДНК, различных биологических тканей [2; 3].

На практике возможности спектроскопии могут помочь в обнаружении взрывчатых и запрещенных веществ. Поскольку излучение является безвредным для биологических организмов и легко проникает сквозь одежду, с его помощью можно производить дистанционный контроль. Например, в работе [4] была показана возможность обнаружения скрытого под одеждой оружия. Другим практическим применением является применение в системах беспроводной передачи данных [5]. Так, для увеличения пропускной способности канала связи необходимо увеличивать несущую частоту, что объясняет большой интерес к продвижению из гигагерцового диапазона в терагерцовый. Преимуществом данного диапазона является также и то, что терагерцовые волны меньше подвержены рассеянию, чем волны излучения ИК диапазона.

В настоящее время методы генерации терагерцового излучения на основе нелинейно-оптического преобразования частоты находятся в ряду наиболее эффективных. Рекордная эффективность оптико-терагерцового преобразования приближается к значению Ю-2 [6]. С точки зрения практического применения, схемы, построенные на базе нелинейной оптики, обладают следующими преимуществами: возможностью функционирования при комнатных температурах, относительной компактностью и широким частотным диапазоном. При нелинейно-оптическом преобразовании эффективность зависит от таких параметров среды, как нелинейно-оптическая восприимчивость, коэффициенты поглощения и величина фазовой расстройки синхронизма. В различных работах (например, [7—11]) в качестве нелинейной среды рассматривались полупроводники, полимеры, органические кристаллы, сегнетоэлектрики и ионизированные газы. Каждая из этих сред обладает своими преимуществами и недостатками. Рекорд эффективности преобразования принадлежит ниобату лития, легированному магнием.

Кристаллы ниобата лития имеют высокое значение нелинейной восприимчивости. Большие значения имеют лишь немногие нелинейные среды - органический кристалл ОАБТ, полупроводник ОэДб. При нелинейном взаимодействии существенную роль играет величина фазовой расстройки между волной на оптической частоте и терагерцовой волной. В случае коллинеарного распространения в кристалле ниобата лития скорость распространения оптического импульса в несколько раз превышает скорость терагерцовой волны. Данное обстоятельство приводит к большому значению фазовой расстройки, а значит к тому, что работает лишь небольшая длина кристалла (50-150 мкм). Для решения данной проблемы применяются два метода. Первый подход - неколлинеарная геометрия взаимодействия. Примером данной схемы является метод наклонного фронта, которому принадлежит рекорд эффективности преобразования (0.25 10~2) [12].

Другая возможность - периодическое изменение знака нелинейной восприимчивости х^ [13]. Это достигается за счет смены знака вектора спонтанной поляризации в кристалле. Расстройка сначала увеличивается, затем знак нелинейной поляризации меняется, и значение расстройки уменьшается. Так происходит на каждом периоде регулярной доменной структуры (РДС). Таким образом, можно существенно увеличить эффективную длину взаимодействия. Поскольку величина фазовой расстройки зависит от частоты, то одна и та же структура будет по-разному работать для волн с различной терагерцовой частотой. Вклад оптических свойств кристалла и пространственного распределения квадратичной восприимчивости в процесс генерации терагерцового излучения может быть описан в терминах нелинейной функции передачи кристалла (Т-функции) [14].

Для многих практических применений является важным управление спектром терагерцового излучения. Для управления спектром используется двухэтапное оптическое выпрямление или интерференция нескольких разночастотных временных форм [15; 16]. Однако, управлять откликом можно и путем изменения свойств среды. Как было показано в работах [14; 17], спектральные свойства кристаллов-генераторов и кристаллов-детекторов, основанных на трехволновом параметрическом взаимодействии, описываются схожими выражениями. Данные выражения можно разделить на две части. Одна часть описывает влияние спектральных свойств падающего на среду излучения накачки. Вторая описывает вклад оптических свойств среды в спектральный отклик в те-рагерцовом диапазоне. В работе [14] приведены выражения для выходного сигнала в случае генерации и детектирования с использованием фемтосекундных импульсов. Однако, выражения для сигналов в случае генерации и детектирования квазинепрерывного терагерцового излучения не были получены до настоящего времени. Также показано, что Т-функция является универсальным средством для описания проявления свойств среды в нелинейно-оптическом процессе. Данное обстоятельство позволяет по измеренному отклику в одном параметрическом процессе предсказать, какой отклик будет при использовании данного кристалла в другом процессе.

В работах [17; 18] в качестве процесса для измерения Т-функции использовались спонтанное параметрическое рассеяние света на верхней поляритонной ветви и генерация второй гармоники. На основе измеренной Т-функции был рассчитан спектр генерации кристалла в те-рагерцовой области. Однако для более полного восстановления спектра Т-функции необходимо использовать нелинейный процесс с участием терагерцовых волн. В диссертационной работе для характеризации те-рагерцового отклика использовалось спонтанное параметрическое рассеяние света (СПР) на нижней поляритонной ветви с участием волн на терагерцовых частотах, что позволило учитывать вклад поглощения на терагерцовой частоте в спектр функции нелинейной передачи кристалла. В случае СПР-характеризации терагерцового отклика на базе аппарата Т-функции необходимость в излучателях или приемниках терагерцового диапазона отсутствует.

Однако, метод СПР позволяет характеризовать только спектральный отклик кристалла, интегральный по объему взаимодействия с накачкой. А также необходимы точные данные о дисперсии показателей преломления в случае, когда генерация и характеризация производится на различных длинах волн. Метод терагерцовой спектроскопии временного разрешения (ТСВР) позволяет измерять амплитуду и фазу непосредственно терагерцовой волны. Данное обстоятельство широко используется для исследования оптических свойств различных веществ [19]. Поскольку измеряется поле терагерцовой волны, то путем преобразования Фурье временной формы можно определить спектральные свойства как действительной, так и мнимой части отклика среды. В диссертационной работе была показана возможность метода накачки-зондирования для определения дефектов доменной структуры кристалла. Методом ТСВР был измерен частотный отклик мультичастотного генератора на основе кристалла с квазипериодическим изменением квадратичной восприимчивости.

Одним из наиболее распространенных методов получения терагерцового излучения является оптическое выпрямление лазерных импульсов фемтосекундной длительности. В случае использования фемтосекунд-ных импульсов спектр излучения, падающего на нелинейную среду, является широкополосным, а генерация осуществляется за счет генерации разностной частоты между различными частотными компонентами. К достоинствам метода можно отнести простоту реализации и высокую эффективность преобразования, достигаемую при использовании данного метода. Метод оптического выпрямления позволяет получать как узкополосное, так и широкополосное терагерцовое излучение [10; 20]. В случае процесса оптического выпрямления спектр терагерцовой генерации в основном определяется оптическими свойствами кристалла (Т-функцией). Однако недостатком можно считать достаточно большую громоздкость мощных фемтосекундных лазеров и сложность их применения во внелабораторных условиях. В работе [21] была реализована генерация методом оптического выпрямления при помощи достаточно компактного волоконного фемтосекундного лазера. Как было сказано выше, в ТСВР обычно измеряются временные формы и затем определяется частотный спектр. При использовании коротких терагерцовых импульсов в таких приложениях, как обнаружение скрытых предметов, спектроскопия в реальном времени, могут возникать помехи из-за переотражения волн. Ограничение временной выборки при детектировании ограничивает частотное разрешение. С этих точек зрения, использование импульсов большей длительности и переход к измерению спектра в пространстве частот может иметь преимущества. Также это позволит сильно расширить список доступных для использования широкополосных источников. Наиболее популярным методом получения квазинепрерывного терагер-цового излучения является метод бигармонической накачки [22]. Недостатком данного типа схем является то, что для управления спектром генерации необходимо осуществлять перестройку одного из лазеров, а это обычно достаточно медленный и технически сложный процесс. В диссертационной работе впервые предложено использовать оптическое выпрямление широкополосных наносекундных импульсов для получения квазинепрерывного терагерцового излучения, что позволяет сочетать преимущества метода оптического выпрямления и использовать в качестве накачки кристаллов-генераторов технически менее сложные, чем фемто-секундные лазеры, источники широкополосных Фурье-неограниченных импульсов.

1. влияние характера пространственной модуляции нелинейно-оптической восприимчивости на спектральные характеристики генерируемого излучения,

2. возможность управления спектрами генерации в режиме оптического выпрямления импульсов накачки,

3. возможность генерации квазинепрерывного излучения методом оптического выпрямления широкополосного оптического излучения.

Для решения поставленных целей были сформулированы следующие задачи диссертационной работы:

2. Измерение спектральных свойств мультичастотной генерации в кристалле с известным распределением х^2Чх) методом терагер-цовой спектроскопии временного разрешения и сравнение со спектральным откликом, расчитанным методом Т-функции.

3. Исследование эффективности генерации квазинепрерывного тера-герцового излучения за счет выпрямления широкополосных Фурье-неограниченных импульсов наносекундной длительности в периодически поляризованных кристаллах ниобата лития и монокристаллах теллурида цинка.

4. Исследование спектральных свойств кристаллов-генераторов тера-герцового излучения, включая однородное и неоднородное ушире-ния спектров генерации, методом спонтанного параметрического рассеяния света на нижней поляритонной ветви.

Новизна диссертационной работы заключается в следующих положениях:

Научная и практическая значимость диссертационной работы:

1. Разработана новая схема генерации квазинепрерывного терагерцо-вого излучения, основанная на оптическом выпрямлении широкополосных Фурье-неорганиченных импульсов. Новая схема более компактна, чем традиционные схемы бигармонической накачки, и позволяет управлять спектром генерации за счет доменной структуры кристалла.

Результаты работы прошли аппробацию на следующих российских и международных конференциях:

1. Международная конференция "Оптика - 2009", Санкт-Петербург, Россия (2009).

3. Международная конференция "V workshop ad memoriam of Carlo Novero (IQIS 2010), Турин, Италия (2010).

4. Международная конференция "Международная конференция по когерентной и нелинейной оптике (ICONO/LAT 2010)", Казань, Россия (2010).

5. Международная конференция "2nd NSC-RFBR Symposium on Nonlinear Optics and Photonics", Синчжоу, Тайвань (2011).

6. Международная конференция "2nd German-Russian Laser Symposium", Гёссвайнштайн, Германия (2011).

7. Международная конференция "Оптика - 2011", Санкт-Петербург, Россия (2011).

8. Международная конференция "2-nd International Conference "Terahertz and Microwave radiation: Generation, Detection and Applications", Москва, Россия (2012)

9. Международная конференция "International Conference on Advanced Laser Technologies", Тун, Швейцария (2012)

Основные результаты содержатся в печатных публикациях. По материалам диссертации опубликованы 13 работ, 4 из которых - статьи в реферируемых журналах, 9 - тезисы научных конференций.

Структура диссертационной работы состоит из введения, четырех глав и заключения.

Заключение диссертации по теме "Приборы и методы экспериментальной физики"

Основные выводы диссертационной работы можно сформулировать следующим образом:

1. Показано, что использование кристаллов с пространственной модуляцией нелинейно-оптической восприимчивости х(2)0) позволяет осуществлять генерацию импульсного и квази-непрерывного излучения в различных областях терагерцового диапазона. Это возможно при генерации в режиме оптического выпрямления как Фурье-ограниченных, так и Фурье-неограниченных лазерных импульсов накачки. При этом характеристикой кристалла, ответственной за форму спектра, является функция нелинейной передачи

Т-функция), зависящая от расстройки фазового синхронизма, поглощения терагерцовых волн и пространственного распределения

2. Экспериментально подтверждена прямая связь спектра генерации со спектром Т-функции при генерации мультичастотного терагер-цового излучения в апериодически поляризованном кристалле с заранее известным распределением х^Ч^) в режиме оптического выпрямления фемтосекундных импульсов накачки.

3. Впервые применен метод оптического выпрямления широкополосных Фурье-неограниченных лазерных импульсов наносекундной длительности для генерации квазинепрерывного терагерцового излучения. При пиковой мощности оптической накачки 18 кВт достигнуты энергетические эффективности преобразования (2.6±0.5)-10~9 в однородном кристалле теллурида цинка и (4 ± 0.7) • Ю-9 в периодически поляризованных кристаллах ниобата лития.

4. Экспериментально реализован метод спектроскопии спонтанного параметрического рассеяния света на нижней поляритонной ветви, позволяющий определить степень регулярности доменной структуры и уширение функции нелинейной передачи периодически поляризованных кристаллов. Метод продемонстрирован на примере выявления областей ростовых доменных структур в кристаллах (М£:У:и]\[ЬОз, М^ЫЫЮз), предназначенных для генерации терагерцового излучения, а также при измерении частотных полос генерации в прямом и встречном направлениях в кристаллах ниобата лития с доменной структурой, изготовленной по различным технологиям.

Заключение

В диссертационной работе были экспериментально исследованы генераторы терагерцового излучения на основе кристаллов ниобата лития с регулярной или квази-регулярной доменной структурой (РДС). Рассматрены вопросы характеризации спектральных свойств кристаллов ниобата лития, изготовленных по различным технологиям. Представлены методы как прямого, так косвенного анализа спектрального отклика кристаллов, а так же интегральной оценки качества РДС. Экспериментально продемонстрированы возможности аппарата нелинейной функции передачи кристалла для описания спектрального отклика кристаллов с квазирегулярной РДС и управления спектром выходного излучения. Впервые осуществлена генерация в процессе оптического выпрямления широкополосных наносекундных импульсов и измерена ее эффективность.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Тучак, Антон Николаевич, Москва

1. Stafford W. Terahertz astronomical telescopes and instrumentation // Phil. Trans. R. Soc. Lond. A. 2004. - T. 362. - C. 395-402.

2. Smye S., Chamberlain /., Fitzgerald A., Berry E. The interaction between Terahertz radiation and biological tissue // Phys. Med. Biol. 2001. - T. 46, № 9. - R101.

3. Huang S., Wang Y., Yeung D., Ahuja A., Zhang Y., Pickwell-MacPherson E. Tissue characterization using terahertz pulsed imaging in reflection geometry // Phys. Med. Biol. 2009. - T. 54, № 1. -C. 149.

4. Federici /., Schulkin B., Huang F., Gary D., Barat R., Oliveira F., Zimdars D. THz imaging and sensing for security applications explosives, weapons and drugs // Semiconductor Science and Technology. - 2005. - T. 20, № 7. - S266.

5. Federici /., Moeller L. Review of terahertz and subterahertz wireless communications 11 Journal of Applied Physics. — 2010. — T. 107, № 11. C. 111101.

6. Bodrov S. B., Ilyakov I.E., Shishkin B.V., Stepanov A.N. Efficient terahertz generation by optical rectification in Si-ZjWb03-air-metal sandwich structure with variable air gap // Applied Physics Letters. — 2012. T. 100, № 20. - C. 201114.

7. Tochitsky S.Ya., Ralph J.E., Sung C., Joshi C. Generation of megawatt-power terahertz pulses by noncollinear difference-frequencymixing in GaAs // Journal of Applied Physics. — 2005. — T. 98, № 2. C. 026101.

8. Zheng X., Sinyukov A., Hayden L. Broadband and gap-free response of a terahertz system based on a poled polymer emitter-sensor pair // Applied Physics Letters. 2005. - T. 87, № 8. - C. 081115.

9. Loffler Т., Roskos H.G. Gas-pressure dependence of terahertz-pulse generation in a laser-generated nitrogen plasma 11 Journal of Applied Physics. 2002. - T. 91, № 5. - C. 2611-2614.

10. Fuop J.A., Palfalvi L., Klingebiel S., Almasi G., Krausz F., Karsch S., Hebling J. Generation of sub-mJ terahertz pulses by optical rectification // Opt. Lett. 2012. - Фев. - Т. 37, № 4. - С. 557559.

11. Armstrong J.A., Bloemberger N., DucuingJ., Pershan P.S. Interaction between Light Waves in a Nonlinear. Dielectric // Phys. Rev. — 1962. T. 127. - C. 1918 -1939.

12. Kitaeva G.Kh. Frequency conversion in aperiodic q'uasi-phase-matched structures // Phys. Rev. A. 2007. - Окт. - Т. 76, вып. 4. -С. 043841.

13. Danielson /., Amer N., Lee Y. Generation of arbitrary terahertz wave forms in fanned-out periodically poled lithium niobate // Applied Physics Letters. 2006. - T. 89, № 21. - C. 211118.

14. Китаева Г.Х., Ленин A.H Параметрическое преобразование света в слоистых нелинейных средах // ЖЭТФ. — 2004. — Т. 5, № 307. — С. 307-323.

15. Kitaeva G.Kh., Tishkova V.V., Penin A.N. Characterization of nonlinear optical superlattices by means of w-k spectroscopy // Journal of Raman Spectroscopy. 2005. - T. 36. - C. 116-122.

16. Pashkin A., Kempa M., Nemec H., Kadlec F., Kuzel P. Phasesensitive time-domain terahertz reflection spectroscopy // Review of Scientific Instruments. 2003. - T. 74, № 11. - C. 4711-4717.

17. Bakunov M.I., Mashkovich E.A., Tsarev M.V., Gorelov S.D. Efficient Cherenkov-type terahertz generation in Si-prism-LiW603-slab structure pumped by nanojoule-level ultrashort laser pulses // Applied Physics Letters. 2012. - T. 101, № 15. - C. 151102.

18. Imeshev G., Fermann M.E., Vodopyanov K.L., Fejer MM., Yu X., Harris J.S., Bliss D., Lynch C. High-power source of THz radiation based on orientation-patterned GaAs pumped by a fiber laser // Opt. Express. 2006. - Май. - Т. 14, № Ю. - С. 4439-4444.

19. Miyamoto К., Ohno S., Fujiwara M., Minamide H., Hashimoto H., Ito H. Optimized terahertz-wave generation using BNA-DFG // Opt. Express. 2009. - Авг. - Т. 17, № 17. - С. 14832-14838.

20. Sheri Y.R. The principles of nonlinerar optics. — John Willey & Sons, 2003.

21. Kitaeva G.Kh. Terahertz generation by means of optical lasers // Laser Physics Letters. 2008. - T. 5, № 8. - C. 559-576.

22. Китаева Г. X., Ленин A. #., Тучак A. H. Генерация и детектирование излучения терагерцового диапазона с помощью периодически и апериодически поляризованных кристаллов // Оптика и спектроскопия. 2009. - Т. 107, № 5. - С. 553-560.

23. Nahata A., Auston D.H., Heinz T.F., Wu С. Coherent detection of freely propagating terahertz radiation by electro-optic sampling // Applied Physics Letters. 1996. - T. 68, № 2. - C. 150-152.

24. Valdmanis /., Mourou G. Subpicosecond eiectrooptic sampling: Principles and applications // IEEE Journal of Quantum Electronics. — 1986. T. 22, № 1. - C. 69 -78.

25. Kuznetsov K., Kitaeva G., Shevlyuga A., fvleva L., Volk T. Second harmonic generation in a strontium barium niobate crystal with a random domain structure 11 JETP Letters. 2008. - T. 87, № 2. -C. 98-102.

26. Loffler T., Hahn T., Thomson M., Jacob F., Roskos H. Large-area electro-optic ZnTe terahertz emitters // Opt. Express. — 2005. — Hioji. T. 13, № 14. - C. 5353-5362.

27. Vodopyanov K.L., Fejer M.M., Yu X., Harris J.S., Lee Y.S., Hurlbut W.C., Kozlov V.G., Bliss D., Lynch C. Terahertz-wave generation in quasi-phase-matched GaAs // Applied Physics Letters. — 2006. — T. 89, № 14. C. 141119.

28. Mutter L., Brunner F. D., Yang Z., Jazbinsek M., Günter P. Linear and nonlinear optical properties of the organic crystal DSTMS // J. Opt. Soc. Am. B. 2007. - CeHT. - T. 24, № 9. - C. 2556-2561.

29. Meier U., Bosch M., Bosshard Ch., Pan F., Günter P. Parametric interactions in the organic salt 4-N,N-dimethylamino-4'-N'- methyl-stilbazolium tosylate at telecommunication wavelengths // Journal of Applied Physics. 1998. - T. 83, № 7. - C. 3486-3489.

30. Gordon L., Woods G., Eckardt R., Route R., Feigelson R., Fejer M., By er R. Diffusion-bonded stacked GaAs for quasiphase-matched second-harmonic generation of a carbon dioxide laser // Electronics Letters. 1993. - T. 29, № 22. - C. 1942-1944.

31. Vodopyanov K.L., Hurlbut W.C., Kozlov V.G. Photonic THz generation in GaAs via resonantly enhanced intracavity multispectral mixing // Applied Physics Letters. 2011. - T. 99, № 4. -C. 041104.

32. Garnov S. V., Shcherbakov I. A. Laser methods for generating megavolt terahertz pulses // Physics-Uspekhi. — 2011. — T. 54, № 1. C. 91.

33. Bryan £)., Gerson R., Tomaschke H. Increased optical damage resistance in lithium niobate 11 Applied Physics Letters. — 1984. — T. 44, № 9. C. 847-849.

34. Restoin C., Massy S., Darraud-Taupiac C., Barthelemy A. Fabrication of ID and 2D structures at submicrometer scale on lithium niobate by electron beam bombardment // Optical Materials. — 2003. — T. 22, № 3. C. 193 -199.

35. Nakamura K., Kurz /., Parameswaran K., Fejer M. Periodic poling of magnesium-oxide-doped lithium niobate // Journal of Applied Physics. 2002. - T. 91, № 7. - C. 4528-4534.

36. Evlanova N., Naumova I., Blokhin S., Chaplina Г., Laptev G., No-vikou A. Grown periodically poled lithium niobate crystal: period stabilization // Journal of Optoelectronics and Advanced Materials. — 2003. T. 5, № 1. - C. 127-130.

37. Евланова Н.Ф., Наумова И.И., Чаплина Т.О., Лаврищев С.В., Бло-хин С.А. Периодическая доменная структура в кристаллах LiNbOs :

38. Y выращиваемых методом Чохральского // Физика твердого тела. 2000. - Т. 42, № 9. - С. 1678-1681.

39. Klyshko D.N. Photons and nonlinear optics / под ред. Maria Chekhova, Sergey Kulik. — World Scientific Publishing, 2011. — C. 13.

40. Ленин A.H., Клышко Д.Л. Перспективы квантовой фотометрии // Успехи Физических Наук. — 1987. — Т. 152. — С. 653—665.

41. Ленин А.Л. Спектроскопия параметрического рассеяния света. — Докт. дисс. Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, 1981.

42. Поливанов Ю.Н. Нелинейно-оптическая спектроскопия фононных поляритонов. — Докт. дисс. Академия наук СССР, Институт общей физики, 1984.

43. Dai R., Gong W., Хи /., Ren X., Liu D. The edge technique as used in Brillouin lidar for remote sensing of the ocean // Applied Physics B: Lasers and Optics. 2004. - T. 79, вып. 2. - 10.1007/s00340-004-1540-4. - C. 245-248.

44. Auston D.H., Cheung K.P. Coherent time-domain far-infrared spectroscopy // J. Opt. Soc. Am. B. 1985. - Апр. - T. 2, № 4. - C. 606-612.

45. Wu Q., Zhang X.-C. 7 terahertz broadband GaP electro-optic sensor // Applied Physics Letters. 1997. - T. 70, № 14. - C. 1784-1786.

46. Ковалев С.Л., Китаева Г.Х. Два альтернативных подхода при электрооптическом детектировании импульсов терагерцового излучения // Письма в ЖЭТФ. 2011. - Т. 94, № 2. - С. 95-100.

47. Ковалев С.П. Генерация и детектирование. — Докт. дисс. Физический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова, 2012.

48. Liu W.M., Guo H.С., Kitaeva G.Kh., Tuchak A.N., Yan Y.H., Tang S.H. Characterization of narrow-band terahertz shaping in periodically poled Mg : LiNbOs using multipulse pump probe // Journal of Applied Physics. 2009. - T. 105, № 3. - C. 033106.

49. Wallace V., MacPherson E., Zeitler J., Reid C. Three-dimensional imaging of optically opaque materials using nonionizing terahertz radiation // J. Opt. Soc. Am. A. 2008. - Дек. - T. 25, № 12. -С. 3120-3133.

50. Qiu T., Maier M. Long-distance propagation and damping of low-frequency phonon polaritons in LiNbOz II Phys. Rev. B. — 1997. — Сент. T. 56, вып. 10. - R5717—R5720.

51. Palfalvi L., Hebling /., Kuhl /., Péter A., Polgar K. Temperature dependence of the absorption and refraction of Mg-doped congruent and stoichiometric LiNbOs in the THz range 11 Journal of Applied Physics. 2005. - T. 97, № 12. - C. 123505.

52. Smith M.L., Mendis R., Vickers R.E.M., Lewis R.A. Comparison of photoexcited p-InAs THz radiation source with conventional thermal radiation sources // J. Appl. Phys. 105. 2009. - T. 105, № 063109. - C. 063109.

53. Hartmann B., Kleman B. On the origin of the water-vapor laser lines // Appl. Phys. Lett. 1968. - T. 12, № 168. - C. 168— 170.

54. Lee A.W. Terahertz imaging and quantum cascade laser based devices. — ,Z1,okt. ahcc. Massachusetts Institute of Technology, 2010.

55. Walther C., Scalari G., Faist /., Beere H., Ritchie D. Low frequency terahertz quantum cascade laser operating from 1.6 to 1.8 THz // Appl. Phys. Lett. 2006. - T. 89, № 23. - C. 231121.

56. Belkin M., Capasso F., Xie F., Beiyanin A., Fischer M., Wittmann A., Faist J. Room temperature terahertz quantum cascade laser source based on intracavity difference-frequency generation 11 Applied Physics Letters. 2008. - T. 92, № 20. - C. 201101.

57. Walther C., Fischer M., Terazzi R., Beere H., Ritchie D., Faist /., Scalari G. THz and sub-THz quantum cascade lasers // Laser and Photonics Reviews. 2009. - T. 3, № 1-2. - C. 45-66.

58. Volkov A., Spektor /., Prokhorov A., Mukhin A., Dressel M., Uchida S., Loidl A., Gorshunov B. Terahertz BWO-Spectrosopy // International Journal of Infrared and Millimeter Waves. — 2005. — T. 26, № 9. C. 1217-1240.

59. Maestritii A., Ward /., Gill /., Javadi H., Schlecht Chattopadhyay G., Maiwald F., Erickson N., Mehdi I. A 1.7-1.9 THz local oscillator source // IEEE Microwave and Wireless Components Letters. — 2004. T. 14, № 6. - C. 253-255.

60. Ktiyazev B. A., Kulipanov G. N., Vinokurov N. A. Novosibirsk terahertz free electron laser: instrumentation development and experimental achievements // Meas. Sci. Technol. — 2010. — T. 21, № 054017. C. 054017.

61. Sokolov V.N., Kim K.W., Trew R.J., Barry E.A. Terahertz generation in GaN diodes operating in pulsed regime limited by self-heating // Appl. Phys. Lett. 2009. - T. 94, № 2221.

62. Shen Y.C., Upadhya P.C., Linfield E.H., Beere H.E., Davies A.G. Ultrabroadband terahertz radiation from low-temperature-grown GaAs photoconductive emitters // Applied Physics Letters. — 2003. — T. 83. C. 3117 -3119.

63. Preu S., Dohler G.H., Malzer S., Wang L.J., Gossard A.C. Tunable, continuous-wave Terahertz photomixer sources and applications // Journal of Applied Physics. 2011. - T. 109, № 6. - C. 061301.

64. Daia /., Zhang X., Clougha B. Laser air photonics: beyond the terahertz gap // Materials Today. 2012. - T. 15, № 1-2. - C. 5058.

65. Blanchard F., Razzari L., Bandulet H.C. h AP-. Generation of 1.5 uJ single-cycle terahertz pulses by optical rectification from a large aperture ZnTe crystal // Opt. Express. — 2007. — Okt. — T. 15, № 20. C. 13212-13220.

66. Taniuchi T., Nakanishi H. Collinear phase-matched terahertz-wave generation in GaP crystal using a dual-wavelength optical parametric oscillator // Journal of Applied Physics. 2004. - T. 95, № 12. -C. 7588-7591.

67. Palfalvi L., Fiilop J. A., Almasi G., Hebling J. Novel setups for extremely high power single-cycle terahertz pulse generation by optical rectification // Applied Physics Letters. 2008. - T. 92, № 17. -C. 171107.

68. Tomita /., Suzuki H., Ito H., Takenouchi H., Ajito K., Rungsawang R., Ueno Y. Terahertz-wave generation from quasi-phase-matched GaPfor 1.55 um pumping 11 Applied Physics Letters. — 2006. — T. 88, № 7. C. 071118.

69. Stothard D.J.M., Edwards T.J., Walsh D.t Thomson C.L., Rae C.F., Dunn M.H., Browne P.G. Line-narrowed, compact, and coherent source of widely tunable terahertz radiation // Applied Physics Letters. 2008. - T. 92, № 14. - C. 141105.

70. Molter D., Theuer M., Beigang R. Nanosecond terahertz optical parametric oscillator with a novel quasi phase matching scheme in lithium niobate // Opt. Express. 2009. - Anp. - T. 17, № 8. - C. 66236628.

71. Huber R., Brodschelm A., Tauser F., Eeitenstorfer A. Generation and field-resolved detection of femtosecond electromagnetic pulses tunable up to 41 THz // Applied Physics Letters. 2000. - T. 76, № 22. -C. 3191-3193.

72. Johnston C.I., Spence D.E., Grant R.S., Sibbett W. Femtosecond pulse generation in the 900-950 nm region from a passively modelocked LiF : F+2 colour centre laser // Optics Communications. — 1989. — T. 73, № 5. C. 370-374.

73. Hiibers H.W., Semenov A., Holldack K., Schade U., Wiistefeld G., Gol'tsman G. Time domain analysis of coherent terahertz synchrotron radiation // Applied Physics Letters. 2005. - T. 87, № 18. -C. 184103.

74. Jiang Z., Sun F.G., Chen Q., Zhang X.-C. Electro-optic sampling near zero optical transmission point 11 Applied Physics Letters. — 1999. — T. 74, № 9. C. 1191-1193.

75. Boyd R.W. Nonlinear Optics (Second Edition). — Elsevier Science, 2003.

76. Д.А. Д.А. Сапожников Генерация и применение фемтосекундных терагерцовых импульсов. — Маг. дисс. Физический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова, 2003.

77. Nazarov М.М., Shkurinov А.P., Angeluts A.A., Sapozhnikov D.A. On the choice of nonlinear optical and semiconductor converters of femtosecond laser pulses into terahertz range // Radiophysics and Quantum Electronics. 2009. - T. 52, вып. 8. - С. 536-545.

78. Suizu К., Suzuki Y., Sasaki Y., Ito H., Avetisyan Y. Surface-emitted terahertz-wave generation by ridged periodically poled lithium niobate and enhancement by mixing of two terahertz waves // Opt. Lett. — 2006. Апр. - T. 31, № 7. - C. 957-959.

79. Suizu K., Tsutsui T., Shibuya Т., Akiba Т., Kawase K. Cherenkov phase matched THz-wave generationwith surfing configuration for bulk LithiumNobate crystal 11 Opt. Express. — 2009. — Апр. — T. 17, № 9. C. 7102-7109.

80. Sasaki Y., Avetisyan Y., Yokoyama //., Ito H. Surface-emitted terahertz-wave difference-frequency generation in two-dimensionalperiodically poled lithium niobate // Opt. Lett. — 2005. — Ноя. — Т. ЗО, № 21. С. 2927-2929.

81. Zhao P., Ragarn S., Ding Y., Zotova I. Compact and portable terahertz source by mixing two frequencies generated simultaneously by a single solid-state laser // Opt. Lett. 2010. - Дек. - Т. 35, № 23. -С. 3979-3981.

82. Suizu К., Koketsu К., Shibuya Т., Tsutsui Т., Akiba Т., Kawase К. Extremely frequency-widened terahertz wave generation using Cherenkov-type radiation // Opt. Express. — 2009. — Апр. — T. 17, № 8. C. 6676-6681.

83. Nishizawa J., Sasaki Т., Tanabe Т., Hozumi N., Oyama Y., Suto K. Single-frequency coherent terahertz-wave generation using two Cr:forsterite lasers pumped using one Nd:YAG laser // Review of Scientific Instruments. 2008. - T. 79, № 3. - C. 036101.

84. Stepanov A.G, Hebling /., Kuhl J. THz generation via optical rectification with ultrashort laser pulse focused to a line // Applied Physics B: Lasers and Optics. 2005. - T. 81, вып. 1. - 10.1007/s00340-005-1826-1. - C. 23-26.

85. Yeh K.L., Hoffmann M. C., Hebling /., Nelson K.A. Generation of 10 mu J ultrashort terahertz pulses by optical rectification 11 Applied Physics Letters. 2007. - T. 90, № 17. - C. 171121.

86. Stepanov A., Kuhl /., Kozma /., Riedle E., Almasi G., Hebling J. Scaling up the energy of THz pulses created by optical rectification // Opt. Express. 2005. - Июл. - Т. 13, № 15. - С. 5762-5768.

87. Lee Y.S., Meade Т., DeCamp M., Norris T.B., Galvanauskas A. Temperature dependence of narrow-band terahertz generation fromperiodically poled lithium niobate // Applied Physics Letters. — 2000. T. 77, № 9. - C. 1244-1246.1. Благодарности

88. Я безмерно благодарен всем моим родным и друзьям, постоянная поддержка которых способствовала написанию работы.