Исследование новых схем генерации и детектирования терагерцового излучения, основанных на взаимодействии фемтосекундных лазерных импульсов с твердотельными и газовыми средами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

На правах рукописи

ИЛЯКОВ Игорь Евгеньевич

ИССЛЕДОВАНИЕ НОВЫХ СХЕМ ГЕНЕРАЦИИ И ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ТЕРАГЕРЦОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, ОСНОВАННЫХ НА ВЗАИМОДЕЙСТВИИ ФЕМТОСЕКУНДНЫХ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ ~С ТВЕРДОТЕЛЬНЫМИ И ГАЗОВЫМИ СРЕДАМИ

01.04.21 - лазерная физика

2 2 Ш 2015

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Нижний Новгород - 2015

005570884

005570884

Официальные оппоненты:

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте прикладной физики Российской академии наук (ИПФ РАН), г. Нижний Новгород

Научный Ахмеджанов Ринат Абдулхаевич,

руководитель: доктор физико-математических наук, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт прикладной физики Российской академии наук, заведующий лабораторией нелинейной спектроскопии

Вакс Владимир Лейбович,

кандидат физико-математических наук, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики микроструктур Российской академии наук, заведующий отделом терагерцовой спектрометрии

Шкуринов Александр Павлович, доктор физико-математических наук, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова», доцент кафедры общей физики и волновых процессов

Ведущая Нижегородский государственный университет

организация: им. Н.И. Лобачевского Национальный

исследовательский университет

Защита состоится "19" октября 2015 г. в 15:00 на заседании диссертационного совета Д 002.069.02 при ИПФ РАН (603950, г. Нижний Новгород, ГСП-120, ул. Ульянова, д. 46).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИПФ РАН. Автореферат разослан " июля 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук,

профессор

Чугунов Ю.В.

Общая характеристика работы

Актуальность темы

Терагерцовое излучение (ТИ, lO'-lO13 Гц) представляет интерес вследствие уникальных возможностей, открывающихся при его использовании в спектроскопии, высокочувствительных устройствах распознавания состава и состояния среды, медицинской томографии и т. д. На данный момент для получения излучения терагерцового диапазона используются различные устройства, отличающиеся по рабочему диапазону частот, ширине генерируемого спектра, величине средней и пиковой мощности: лазеры на свободных электронах, вакуумные электронные приборы (гиротроны, лампы обратной волны), квантовые каскадные лазеры, генераторы, использующие излучение лазера (оптико-терагерцовые устройства).

Диссертация посвящена исследованию особого класса оптико-терагерцовых устройств — устройств на основе фемтосекундных лазеров. Их отличительной чертой является малая длительность импульсов генерируемого ТИ. Эти импульсы представляют собой всего одну - две осцилляции терагерцового поля и обладают предельно широким спектром, что существенно отличает их от излучения других типов генераторов. При соответствующей длительности лазерного импульса оптико-терагерцовые устройства позволяют, в принципе, получать терагерцовые импульсы со спектром, перекрывающим весь терагерцовый диапазон [1]. Другим важным фактором в применении фемтосекундной лазерной техники в терагерцовом диапазоне являются разработанные чувствительные оптические методы детектирования терагерцовых импульсов с временным разрешением (Terahertz time-domain spectroscopy, THz-TDS) [2], которые позволяют проводить измерения амплитудных и фазовых характеристик ТИ. Совершенствование и увеличение числа способов генерации и регистрации ТИ является актуальной задачей, поскольку позволяет расширить возможности использования ТИ в медицине, биологии, системах безопасности, для изучения процессов, протекающих в различных средах, контроля технических объектов, произведений искусства и т. д. [3-7].

Существуют различные оптические способы генерации и регистрации ТИ. Их можно разделить по типу среды, в которой происходит оптико-терагерцовое взаимодействие. Непосредственное отношение к теме диссертации имеют два типа сред - нелинейные кристаллы и плазма.

В начале 1970-х две группы [8, 9] и [10] независимо продемонстрировали генерацию дальнего инфракрасного излучения (дальнее ИК-излучение приблизительно совпадает с определением терагерцового частотного диапазона), основанную на оптическом

\п

выпрямлении пикосекундных импульсов в кристалле с квадратичной нелинейностью. В 1983 г. Аустон [11] предсказал, что пикосекундные электромагнитные импульсы излучаются движущейся поляризацией, вызванной оптическим выпрямлением, при фокусировке лазерных импульсов в электрооптическом (ЭО) кристалле. Это излучение с широким спектром было вскоре экспериментально получено с использованием фемтосекундных импульсов и кристалла 1лТа03 [32], а затем детектировалось при помощи ТНг-ТЭБ [13]. В последнее время способ генерации широкополосного излучения в кристаллах очень востребован в связи с широкой частотной полосой и удобством использования кристаллических генераторов и детекторов. При соответствующем выборе среды, генерация, основанная на оптическом выпрямлении, излучает предельно широкополосное излучение, ширина спектра которого ограничивается только обратной длительностью оптического импульса [14].

Генерация и регистрация ТИ оптическими методами может быть осуществлена при оптическом пробое в газе. Известные сегодня оптические методы генерации и детектирования ТИ с применением кристаллов позволяют перекрыть диапазон частот от 100 ГГц до более 100 ТГц [15]. Однако все известные на данный момент кристаллы имеют фононные линии поглощения внутри этого диапазона. Это обстоятельство накладывает ограничения на возможность генерации и детектирования излучения на частотах, соответствующих частотам фононных резонансов [16]. От описанного недостатка свободны плазменные среды. В них нет фононных линий поглощения, они достаточно просты в получении, возможно создание дистанционных источников и детекторов. Впервые применение лазерной плазмы для генерации ТИ было предложено и осуществлено в 1993 г. в работах Хамстер и др. [17]. Оптико-терагерцовые преобразования на основе пробоя газов позволяют получать высокие электрические поля, превышающие 1 МВ/см [18], использующиеся для исследования нелинейных эффектов, а также находят применение в коммерческих спектроскопических системах [19].

Цель диссертационной работы

Наиболее востребованные сегодня оптические способы генерации и регистрации терагерцовых импульсов имеют в своей основе либо фотопроводящую антенну, либо кристалл с квадратичной нелинейностью, либо фотопроводник в сильном магнитном поле, либо ионизированный газ. Целью диссертации являлась разработка новых и более детальное исследование имеющихся способов генерации и регистрации терагерцового излучения, основанных на взаимодействии фемтосекундных лазерных импульсов с кристаллами и плазмой.

В связи с обозначенной целью диссертации решались следующие задачи:

1. Теоретическое и экспериментальное исследование изменения параметров фемтосекундных лазерных и терагерцовых импульсов при их совместном распространении в электрооптических кристаллах. Разработка новых схем детектирования терагерцового излучения, основанных на модуляции энергии и спектра фемтосекундных лазерных импульсов под действием терагерцового поля в кристаллах. Экспериментальная апробация нового способа генерации терагерцового излучения в сэндвич-структуре с сердцевиной из кристалла ниобата лития.

2. Определение параметров терагерцового излучения, генерируемого при фокусировке в воздухе фемтосекундных (одночастотных и двухчастотных) лазерных импульсов аксиконной и сферическими линзами (в том числе при наложении внешнего электрического поля) и при взаимодействии фемтосекундных лазерных импульсов с поверхностью металла.

Научная новизна диссертационной работы

1. Экспериментально подтверждена возможность осуществления измерения терагерцового излучения в условиях квазисинхронизма в кристаллах периодически поляризованного ниобата лития. Аналитически получены выражения для изменений энергии и спектра оптических импульсов при взаимодействии с терагерцовыми импульсами в электрооптических кристаллах. Предложена и экспериментально апробирована новая схема детектирования с использованием нелинейных кристаллов, позволяющая повысить чувствительность на относительно высоких терагерцовых частотах более чем на порядок по сравнению со стандартной техникой электрооптических измерений.

2. Теоретически и экспериментально изучены изменения энергии терагерцовых импульсов при взаимодействии с оптическими импульсами в электрооптических кристаллах. Предложен и апробирован новый способ калибровки детекторов терагерцового диапазона частот.

3. Экспериментально продемонстрирована высокая эффективность преобразования энергии оптического излучения в терагерцовое излучение при использовании сэндвич-структур. Эффективность преобразования достигала 0.25% при энергиях лазерных импульсов 15-20 мкДж.

4. Экспериментально исследована генерация терагерцового излучения при пробое воздуха фемтосекундными лазерными импульсами в новой схеме - с использованием аксиконной фокусировки. Получены данные по пространственному распределению энергии и поляризации, временной форме терагерцового излучения, эффективности оптико-терагерцовой конверсии.

5. Экспериментальное исследование поперечного распределения энергии терагерцового поля, генерируемого при пробое воздуха лазерными импульсами,

обнаружило отсутствие осевой симметрии в поперечном распределении энергии терагерцового излучения. Зарегистрировано влияние поляризации оптических импульсов на поперечное распределение и полную энергию терагерцового излучения.

6. Показано в эксперименте, что при пробое воздуха двухцветными лазерными импульсами направление поляризации генерируемого терагерцового излучения может изменяться путем варьирования фазового сдвига между излучением лазера на основной частоте и на частоте его второй гармоники. Экспериментально продемонстрировано, что оптимальная фаза между первой и второй гармониками (с точки зрения эффективности оптико-терагерцовой конверсии) зависит от интенсивности лазерных импульсов. Выхода оптимальной фазы на постоянное значение в области высоких интенсивностей, предсказанного в предшествующих теоретических работах, не наблюдалось.

7. Экспериментально обнаружено, что при облучении медных образцов фемтосекундными импульсами с плотностью энергий 10-80 мДж/см2 энергия терагерцового излучения возрастала экспоненциально с увеличением энергии оптических импульсов. Оптимальная поляризация лазерных импульсов при генерации терагерцового излучения на металлических поверхностях была р-поляризация.

Научная и практическая значимость работы

Получены новые экспериментальные данные по генерации терагерцового излучения в плазме оптического разряда, возникающего в атмосфере при фокусировке фемтосекундного лазерного излучения. Исследованы различные схемы генерации, связанные с фокусировкой оптического излучения сферическими и аксиконными линзами, с наложением постоянного электрического поля на область лазерной искры и с использованием бихроматического лазерного излучения. Изучена генерация импульсного терагерцового излучения при наклонном падении фемтосекундных лазерных импульсов на поверхности металлов. Экспериментально продемонстрирован эффективный способ генерации терагерцового излучения в сэндвич-структуре. На основании теоретических и экспериментальных исследований взаимодействия оптических и терагерцовых импульсов в нелинейных кристаллах предложены и апробированы новые схемы регистрации терагецовых импульсов и калибровки детекторов терагерцового диапазона частот.

Полученные результаты представляют как научный интерес с точки зрения исследования механизмов генерации фемтосекундными лазерными импульсами излучения терагерцового диапазона частот и оптико-терагерцовых взаимодействий в нелинейных кристаллах, так и практическую ценность для разработки терагерцовых спектрометров (в том числе дистанционных).

Основные положения, выносимые на защиту

1. Изменения энергии и спектра оптического импульса при взаимодействии с терагерцовой волной в электрооптических кристаллах в каждый момент времени пропорциональны первой производной по времени от напряженности терагерцового поля.

2. Изменения энергии и спектра лазерного импульса под действием терагерцового поля в нелинейном кристалле могут быть использованы для когерентного детектирования терагерцового излучения. На частотах выше 5 ТГц чувствительность нового метода детектирования, основанного на изменениях спектра лазерного импульса, более чем на порядок превышает чувствительность стандартной электрооптической схемы.

3. При распространении фемтосекундных лазерных импульсов титан-сапфирового лазера в сэндвич-структуре с сердцевиной из слоя ниобата лития толщиной 30 и 50 мкм происходит генерация излучения на частотах 0.1-3 ТГц. Эффективность оптико-терагерцового преобразования достигает 0,25% при энергиях лазерных импульсов 15—20 мкДж.

4. При пробое воздуха фемтосекундными лазерными импульсами длительностью 35-50 фс, энергией 2-3 мДж с использованием аксиконной линзы с углом при основании 15° генерируется излучение терагерцового диапазона частот (максимум спектра на 1 ТГц) с эффективностью преобразования порядка 5-Ю"8. Поляризация терагерцового излучения радиальная (локально линейная, вектор поляризации направлен радиально относительно оси распространения излучения), поперечное распределение энергии кольцеобразное.

5. При пробое воздуха линейно поляризованными фемтосекундными лазерными импульсами (длительностью 35—50 фс, энергией 2-3 мДж) с использованием сферических линз (Р = 50-500 мм) поперечное распределение энергии излучения диапазона 0.1-1.5 ТГц представляет собой два сегмента кольца с минимумом вдоль направления поляризации лазерного излучения. При циркулярной поляризации лазерных импульсов поперечное распределение энергии терагерцового излучения кольцеобразное. Поляризация терагерцового излучения является радиальной (относительно оси распространения излучения) как при линейной, так и при циркулярной поляризациях лазерного излучения.

6. В условиях пробоя воздуха двухцветными лазерными импульсами направление вектора поляризации генерируемого терагерцового излучения может изменяться путем варьирования фазового сдвига между эллиптически поляризованным излучением лазера на основной частоте и линейно поляризованным излучением на частоте его второй гармоники. Оптимальный с точки зрения эффективности оптико-терагерцовой конверсии сдвиг фазы линейно поляризованного излучения лазера на частоте его второй гармоники относительно линейно поляризованного

излучения на основной частоте зависит от интенсивности лазерных импульсов. При низких интенсивностях лазерного излучения величина оптимального сдвига фазы остается постоянной, а начиная с интенсивности порядка 4-1013 Вт/см2 монотонно уменьшается.

Степень достоверности и апробация результатов работы

Полученные результаты обладают высокой степенью достоверности и являются обоснованными. Аналитические и расчетные данные согласуются с результатами экспериментов. В экспериментах использовались современные методики, апробированные в предшествующих научных работах. Результаты диссертации опубликованы в 41 научной работе, из которых 14 статей в международных журналах и журналах из списка ВАК, 9 статей в сборниках трудов конференций, 18 тезисов докладов. Результаты входили в годичные отчеты РАН (2008, 2009 гг.), обсуждались на научных семинарах ИПФ РАН и конкурсах работ молодых ученых ИПФ РАН (Диплом III степени 2011, 2015 гг., Грамота 2009, 2014, 2015 гг.), докладывались на следующих конференциях: XIV научная школа "Нелинейные волны - 2008" (Нижний Новгород, Россия, 2008 г.); Международный оптический конгресс "Оптика - XXI век" (Санкт-Петербург, Россия, 2008 г.); 1й\ 8th and 9th International Workshops "Strang Microwaves: Sources and Applications" (Россия; 2008, 2011 и 2014 гг.); VI и VII Международные конференции молодых ученых и специалистов "0птика-2009" и "Оптика-2011" (Санкт-Петербург; Россия; 2009 и 2011 гг.); International Conference Laser Optics 2008 (Санкт-Петербург, Россия, 2008 г.); 33rd and 35ft International Conferences on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (Пасадена, США, 2008 г.; Рим, Италия, 2010 г.); VII, VIII и IX Всероссийские семинар по радиофизике миллиметровых и субмиллиметровых волн (Нижний Новгород; Россия; 2009, 2011, 2013 гг.); 4Л Asia Summer School & Symposium on Laser-Plasma Acceleration and Radiation (Хсинчу, Тайвань, 2009 г.); International Symposium "Terahertz Radiation: Generation and Application" (Новосибирск, Россия, 2010 г.); Conference on Lasers and Electro-Optics and 12th European Quantum Electronics Conference (Мюнхен, Германия, 2011 г.); 2nd International Conference "Terahertz and Microwave radiation: Generation, Detection and Applications" (Москва, Россия, 2012 г.); International Conference on Coherent and Nonlinear Optics (Москва, Россия, 2013 г.); XVIII научная конференция по радиофизике, посвященная Дню радио (Нижний Новгород, Россия, 2014 г.); 13 International Conference on Multiphoton Processes (Шанхай, Китай, 2014 г.). Автор награжден дипломом за первое место в конкурсе стендовых докладов на международной конференции 4th Asia Summer School & Symposium on LaserPlasma Acceleration and Radiation, Хсинчу, Тайвань, 2009 г. за доклад «Terahertz pulse generation in a laser induced air plasma».

В составе авторского коллектива: С.Б. Бодров, И.Е. Иляков, Д.А. Фадеев автор в 2013 г. награжден медалью Российской академии наук для молодых ученых за работу «Разработка эффективных методов генерации и детектирования короткоимпульсного терагерцового излучения и их практическое приложение».

Личный вклад автора

Все изложенные в диссертации оригинальные результаты получены автором лично, либо при его непосредственном участии. Автор участвовал в проведении экспериментов, постановке задач, выполнял расчеты, обрабатывал экспериментальные данные, проводил интерпретацию результатов. Изначально все планы были обсуждены и согласованы с научным руководителем P.A. Ахмеджановым.

Теоретический анализ и расчеты, представленные во второй главе, выполнены автором и обсуждены с Г.Х. Китаевой. Автором предложены и экспериментально апробированы схемы регистрации ТИ, основанные на изменениях спектра лазерного импульса, и способ калибровки детекторов терагерцового диапазона частот. Эксперименты проводились совместно с Б.В. Шишкиным (сборка и настройка оптической схемы, сами измерения и обработка их результатов выполнялись лично автором). Эксперименты по квазисинхронному способу детектирования проводились совместно с С.П. Ковалевым и Б.В. Шишкиным. Эксперименты по генерации ТИ в сэндвич-структуре выполнялись автором совместно с С.Б. Бодровым, А.Н. Степановым и Б.В. Шишкиным (автором проводилась сборка и настройка оптической схемы по измерению временных форм и спектров терагерцовых импульсов методом THz-TDS и сами измерения).

Эксперименты по третьей главе диссертации проводились совместно с Б.В. Шишкиным (сборка и настройка оптической схемы, сами измерения и обработка их результатов выполнялись лично автором).

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы из 141 наименования. Объем диссертации составляет 123 страницы, включая 60 рисунков и 2 таблицы.

Основное содержание работы

Во введении дана общая характеристика диссертации, включающая: актуальность темы исследования, цели и задачи диссертационной работы, научную новизну, научную и практическую значимость работы, структуру

диссертации, основные положения, выносимые на защиту, апробацию работы, личный вклад автора.

В первой главе диссертации (пункты 1.1 и 1.2) дается обзор литературы по оптико-терагерцовым преобразованиям в нелинейных кристаллах, в воздушной плазме и на поверхности металла, с которым соотносятся диссертационные исследования, представленные в главах 2 и 3. В пункте 1.3 описаны стандартные схемы регистрации терагерцовых импульсов, которые применялись в диссертации, но не являлись предметом ее исследования.

Вторая глава диссертации состоит из пяти пунктов и посвящена рассмотрению взаимодействие оптических и терагерцовых импульсов в электрооптических кристаллах, исследуются новые схемы генерации и измерения параметров ТИ. В пункте 2.1 представлены результаты экспериментальной апробации предложенного в [20] способа детектирования ТИ с использованием периодически поляризованных кристаллов 1л№>03, основанного на изменении полной энергии оптического импульса. Зарегистрированы временные зависимости поля ТИ и амплитудные Фурье-спектры на частотах синхронизма кристаллов.

В пункте 2.2 рассмотрена возможность применения аналогичной схемы и при использовании широкополосных кристаллов ZnTe и ОаР. Теоретически и экспериментально исследуются изменения энергии, спектра и фазы оптических импульсов при взаимодействии с ТИ в широкополосных кристаллах. Определены зависимости этих параметров от величины амплитуды, частоты и фазы ТИ. Теоретически и экспериментально показано, что величина изменений энергии А1атр| и средней частоты спектра лазерного импульса Амау (изменения энергии регистрировались блоком (в), изображенным на рисунке 1) пропорциональны первой производной по времени от напряженности терагерцового поля (измерялась блоком (б))

дЕГнЛТс/е!)

Асо„, ~ А/

ат> атрI

д*с1е1

где т^е! - временная задержка оптического импульса относительно терагерцовой волны. Результаты измерений приведены на рисунке 2.

гптс,

Рис. 1. Схема эксперимента: (а) - схема детектирования, (б), (в), (г) - варианты Блока измерений.

Поляри-

(а) т<и-пс (б) пс

Рис. 2. Сигналы, индуцированные терагерцовым полем ДЯ/Я при различных временных задержках (вставки - соответствующие Фурье-спектры), измеренные блоком (в) на рисунке 1 - прерывистая линия, и блоком (б) на рисунке 1 -непрерывная линия. Временные зависимости с блока (б) представлены после взятия производной по времени и умножения на 3.17/(2а>0). (а) 50 мкм ZnTe, (б) 200 мкм йаР.

Как отмечено в пункте 2.2, в процессе генерации разностных и суммарных частот при взаимодействии оптических и терагерцовых импульсов происходит и изменение энергии, и изменение спектра лазерного импульса. В пункте 2.3 рассмотрена возможность использования изменений спектра для повышения чувствительности системы регистрации терагерцовых импульсов. Повышение чувствительности достигалось путем установки частотного отрезающего фильтра после нелинейного кристалла (рисунок 1 блок (г)). Под влиянием поля ТИ спектр лазерного импульса смещается вдоль кривой пропускания отрезающего фильтра, расположенного за кристаллом, вследствие чего прошедшая через него энергия оптического излучения существенно изменяется. Таким образом, чувствительность схемы детектирования повышается в сравнении со схемой, основанной на изменении энергии. В эксперименте чувствительность удалось повысить в ~ 20 раз. Для дальнейшего улучшения чувствительности измерений, схема была модифицирована. Модификация заключалась в отрезании боковой полосы спектра лазерного импульса до ЭО кристалла (пунктирная линия на вставках к рисунку 3) путем размещения частотного отрезающего фильтра на пути пробного пучка. После этого, лазерный импульс с модифицированным спектром взаимодействовал с ТИ в ЭО кристалле. Лазерный импульс разлагался в частотный спектр дифракционной решеткой. Фотодетектор измерял изменения энергии оптических спектральных компонент на частотах в непосредственной близости от частоты отрезания фильтра (пунктирная линия на правой вставке на рисунке 3). Результаты модельных расчетов, выполненных для всех

рассмотренных схем, представлены на рисунке 3. Видно, что отклик больше в схеме с модифицированным спектром лазерного импульса, чем в схеме с неизмененным спектром. Результаты экспериментальной апробации представлены на рисунке 4. Чувствительность новой схемы была значительно лучше на высоких терагерцовых частотах по сравнению со стандартной схемой (измерительный блок на рисунке 1 (б) без изменений спектра).

4 8 12 16 Частота, ТГц

Рис. 3

4 8 12 16 20 Частота, ТГц

Рис. 4.

Рис. 3. Основной график представляет отклики |ЛКЖ| стандартной схемы измерения (сплошная линия) и схем с отрезающим фильтром/дифракционной решеткой для двух различных спектров лазерного импульса. Отклики на главном графике нумеруются: 1 - стандартная схема, (2)/(5) - схема с дифракционной решеткой и исходным/ модифицированным спектром, (3)/(4) - схема с отрезающим фильтром и исходным/модифицированным спектром. Во вставках: кривые пропускания краевого фильтра (штрих-пунктирная линия)/дифракционной решетки (пунктирная линия) и спектры лазерного импульса.

Рис. 4. Амплитудные Фурье-спектры, зарегистрированные двумя измерительными блоками и различными кристаллами, (а) кристалл 2пТе толщиной 50 мкм, (б) кристалл ваР толщиной 200 мкм. Результаты, изображенные [непрерыв-ной]/[пунктирной] толстой линией, получены с использованием блока измерения, указанного на рис. 1 как Кб)И(г) с модифицированным оптическим спектром и дифракционной решеткой]. Тонкие линии обозначают соответствующие уровни шума.

Рассмотренные выше изменения энергии оптических импульсов могут быть представлены как преобразование энергии излучения между оптическим и терагерцовым диапазонами. В пункте 2.4 получены аналитические выражения на вариации энергии ТИ при взаимодействии с оптическим импульсом в нелинейном кристалле. Были измерены изменения энергии лазерных и терагерцовых импульсов, прошедших через кристалл, в соответствие с различными временными задержками. Использовалась схема, изображенная на рисунке 1 (в) с оптическим или терагерцовым детектором. Видно (рисунок 5 (а)), что нелинейное взаимодействие в кристалле гпТе приводит к перераспределению энергии между терагерцовым и оптическим импульсами. Этот эффект может быть использован в качестве удобной

методики калибровки детекторов терагерцового диапазона частот. Калиброванные детекторы оптического диапазона частот широко распространены. Соответственно, полная энергия оптического излучения и величина ее электрооптической модуляции известны. Зная связь между изменением энергии излучения в оптическом и терагерцовом диапазонах можно определить чувствительность терагерцового детектора, причем на каждой терагерцовой частоте, доступной в ТНг-ТОБ. Результаты демонстрационных экспериментов приведены на рисунке 5 (б).

-ЛРТнг(отн. ед.) -йЯ/Я

100-

ю-

ш

¡3

со

— гпТе день 1

- • 2пТе день 2

1 2 3 Частота, ТГц

0 1 2 3 4 0

(а) т<*"пс (б)

Рис. 5. (а) Перераспределение энергии между оптическим и терагерцовым импульсами. Сигналы с терагерцового и оптического детекторов - пунктирная и непрерывная линии. Производная по времени от изменений фазы лазерного импульса - штрих-пунктирная линия, (б) Результаты измерений чувствительности ячейки Голея с использованием 200 мкм кристалла гпТе (непрерывная и пунктирная линии). Нижняя пунктирная линия обозначает чувствительность ячейки Голея на среднюю мощность фемтосекундных лазерных импульсов. Штрих-пунктирная линия отображает калибровку производителя по излучению черного тела.

В пункте 2.5 представлены результаты экспериментального исследования генерации ТИ в сэндвич-структуре. Генерация ТИ происходила вследствие «выпрямления» фемтосекундных лазерных импульсов в тонком слое 1лМЮ3 (ЬЫ). Для повышения величины выхода энергии ТИ к кристаллу ЬЫ крепилась кремниевая призма. Энергия ТИ измерялась при помощи 1пБЬ болометра, временная форма и спектр - при помощи ЭО детектирования с использованием кристалла гпТе толщиной 3 мм. Были рассмотрены различные виды сэндвич-структур, исследовалась эффективность преобразования в зависимости от «чирпа» лазерного импульса и его энергии. В результате проведенных экспериментов продемонстрирована высокая эффективность преобразования оптического излучения в ТИ при использовании схем,предложенных в работах [21, 22]. Эффективность преобразования достигала 0,25% при энергиях лазерных импульсов ~ 15-20 мкДж. Такие энергии фемтосекундных импульсов генерируются в сравнительно компактных волоконных системах. Таким

образом, совместное использование волоконных фемтосекундных лазеров и сэвдвич-структуры позволяет получить компактный и эффективный источник ТИ.

В третьей главе диссертации экспериментально исследованы различные схемы генерации ТИ при оптическом пробое воздуха. В пункте 1 главы 3 представлены результаты экспериментального исследования генерации ТИ в лазерной искре, создаваемой при аксиконном пробое в воздухе атмосферного давления. Приведены результаты измерения параметров ТИ при аксиконном пробое воздуха без приложения к искре постоянного электрического поля и в присутствии последнего (впервые предложено в [23]). В результате проведенных измерений методом ТНг-ТОЭ были получены представленные на рисунке 6 временные зависимости ТИ. Энергия импульса сосредоточена практически в одной осцилляции поля с масштабом порядка 1 пс. Фурье-спектр приведен справа на рисунке 6. Узкие провалы в спектральном распределении соответствуют линиям поглощения паров воды в воздухе и присутствуют в регистрируемом спектре ТИ вследствие распространения последнего через ~ 60 см слой атмосферного воздуха. «Полезный» спектр простирается от десятков ГГц до ~ 3 ТГц. Распределение в пространстве энергии ТИ приведено на рисунке 7. Видно, что распределение энергии представляет собой кольцеобразную структуру. Минимум излучаемой энергии в центре лежит на прямой линии, проходящей через ось распространения лазерного излучения. Угол раскрыва приблизительно совпадал с углом фокусировки аксиконной линзы.

Рис. 6. Временная форма и амплитудный фурье-спектр ТИ, генерируемого при аксиконном пробое воздуха (детектирующий кристалл гпТе толщиной 3 мм).

На рисунке 7 справа схематически изображена ориентация поляризации ТИ в зависимости от положения поперечной подвижки. ТИ оказалось поляризованным в каждой точке линейно, вектор же поляризации был распределен радиально. Энергия и временная форма ТИ зависели от поляризации лазерных импульсов. Влияние приложенного постоянного поля на эффективность генерации было незначительным. В дальнейшем, в работе

Время, пс

Частота, ТГц

[24], был предложен механизм, основанный на возбуждении в области ионизации продольных колебаний плазмы пондеромоторной силой и позволяющий описать наблюдавшиеся спектральные зависимости и пространственные распределения поляризации.

Рис. 7. Поперечное распределение энергии и поляризации ТИ, генерируемого при аксиконном пробое воздуха.

Рис. 8. Поперечное распределение энергии ТИ при вертикальной (левый рисунок) и циркулярной (правый рисунок) поляризациях ионизирующих лазерных импульсов.

В пункте 3.2 приведены результаты исследования параметров ТИ, генерируемого при фокусировке в воздухе фемтосекундных лазерных импульсов сферическими линзами. В отличие от предшествующих исследований измерения поперечного распределения энергии ТИ проведены в более широком частотном диапазоне и во всей поперечной плоскости, исследовано влияние поляризационных характеристик оптических импульсов на параметры генерируемого ТИ. В отличие от проведенных ранее [25] экспериментов с гетеродинным детектором, способным измерять лишь узкополосное излучение на частоте 100 ГГц, нами производилось измерение энергии в широком диапазоне вплоть до 1,5 ТГц. На левом рисунке изображено распределение энергии ТИ при фокусировке вертикально поляризованных лазерных импульсов. Распределение энергии представляет собой два сегмента кольца с радиальным направлением поляризации (рисунок 8 слева). При повороте поляризации лазерного излучения оно также поворачивается. Такое распределение энергии существенным образом отличается от представленного в [25] и не может быть сформировано исключительно вследствие предложенного в [25] механизма (аналогичное распределение энергии наблюдалось и при использовании линз с другими фокусными расстояниями: 50-500 мм). На правом рисунке показано распределение энергии при фокусировке лазерного излучения с циркулярной поляризацией. Видно, что оно приобрело кольцеобразную структуру. Впоследствии в работе [26] дано теоретическое обоснование обнаруженных асимметричных распределений ТИ, а в работе [27] было получено независимое экспериментальное подтверждение обнаруженной асимметрии в поперечном распределении. В своих расчетах авторы [26] учли, что при ионизации газа линейно поляризованным оптическим импульсом

15

распределения свободных электронов по коллинеарным и ортогональным проекциям их начальной скорости направлению поляризации ОИ будут различаться. В результате было показано, что поперечная асимметрия распределения скорости электронов может приводить к появлению асимметрии в поперечном распределении энергии ТИ и соответственно зависимости поперечного распределения ТИ от поляризации лазерных импульсов.

Существенное повышение эффективности генерации ТИ, как и в работах [28-30], было достигнуто при добавлении к сфокусированному лазерному излучению его второй гармоники. Увеличение амплитуды генерируемого терагерцового поля по сравнению со случаем фокусировки лишь первой гармоники составило ~ 100. В пункте 3.3 исследовано поведение поляризации генерируемого ТИ от сдвига фаз между компонентами двухцветного лазерного импульса, а также зависимость величины оптимального фазового сдвига (с точки зрения эффективности оптико-терагерцового преобразования) от интенсивности двухцветного лазерного импульса. Ниже, в таблице 1, приведены полученные зависимости энергии и поляризации ТИ от положения кристалла ВВО I.

Расстояние Сигнал Ориентация L болометра поляризации ТИ

L=0MM U=180MB +

L=5MM U=120MB

1=10мм lf=220MB

L=15MM U=430MB —-

L=20MM U=460MB

L=25MM U=280MB +

о 120-

140

Ь 150-

(а) Рис. 9.

ТТТТ1-1 ' ■ ""Ч

100 1000 Энергия лазерного импульса, мкДж

110-

5

г

о 120-

■§•

О 130-

со

со

0) S 140-

X

g

¡3 150-

о

160-

(б)

100 1000 Энергия лазерного импульса, мкДж

Табл. 1.

Табл. 1. Зависимости энергии и поляризации ТИ от положения кристалла ВВО. Рис. 9. Графики отображают зависимость «неоптимального» положения ВВО от энергии лазерного импульса при различных параметрах эксперимента: (а) длительность лазерного импульса 52фс, фокусное расстояние линзы 150 мм, 200 мм и 300 мм; (б) длительность лазерного импульса 52 фс, 118фс и 127 фс, фокусное расстояние линзы 300 мм.

Видно, что помимо изменения энергии ТИ происходит также вращение его вектора поляризации. Таким образом, изменяя взаимную фазу между излучением на основной частоте и второй гармоникой (например, смещая кристалл ВВО) можно управлять ориентацией поляризации ТИ. Также было проведено исследование зависимости «неоптимального» фазового сдвига (с точки зрения эффективности оптико-терагерцового преобразования) между

излучением на основной частоте и частоте второй гармоники от интенсивности двухцветного лазерного импульса (рисунок 9). В результате было экспериментально продемонстрировано, что оптимальная фаза между первой и второй гармониками зависят от интенсивности лазерных импульсов. При низких интенсивностях лазерного излучения величина оптимального фазового сдвига остается постоянной, а начиная со значения интенсивности -4-1013 Вт/см2 начинает монотонно изменяться. С увеличением интенсивности оптических импульсов выше ~1014 Вт/см2 оптимальный фазовый сдвиг продолжает монотонно изменяться и превосходит величину ср = л. Выхода на насыщение в области высоких интенсивностей, предсказанного в предшествующих теоретических работах, не наблюдалось.

В экспериментах по генерации ТИ на металлических поверхностях (пункт 3.4) нами использовались металлические образцы из меди, алюминия, стали и латуни. Большинство измерений проводилось с медным образцом. Вне зависимости от поляризации лазерного излучения ТИ было в целом р - поляризовано, а его энергия была максимальной при падении р -поляризованных лазерных импульсов. Распределение энергии ТИ имело максимум в направлении зеркального отражения. Зависимость энергии ТИ от энергии ОИ и вида металла представлены на рисунке 10 и в таблице 2.

■ Аллроксимзция зкслонентий

0 0 5 1 1.5 1 2.5 Энергия лазерного импульса, мДж

Рис. 10. Зависимость энергии ТИ от энергии ОИ.

Вид иетаяя» Энергия ТИ

Латунь 2»Дж

Медь 15 нД*

Алюминий 1.25 «Д»

Сталь Об.Дж

Пробой воэдум

Оггтнческиыи иыпульсаык с длиной волны 780нм 25 пД*

Оггтичесжимн ныпульсамн С ДАННОЙ волны 780ни4-390 ни ОбмхД*

Табл. 2. Зависимость энергии ТИ от способа генерации (вида металла и способа пробоя воздуха).

Из приведенной на рисунке 10 зависимости виден выраженный экспоненциальный рост энергии генерируемого ТИ с увеличением энергии лазерных импульсов. В таблице 2 приведено сравнение энергии ТИ при использовании различных металлических и воздушно-плазменных излучателей. Энергия оптических импульсов была порядка 2.5 мДж, фокусное расстояние линз 500 мм (генерация ТИ на металлическом образце) и 200 мм (генерация ТИ при пробое воздуха). Максимальный сигнал с металлических образцов наблюдался при постановке образца на некотором небольшом расстоянии от фокуса (порядка 30 мм). Видно, что наибольшие энергии ТИ, генерируемого на металлических поверхностях, достигаются

при использовании латунных образцов. Среди рассмотренных нами металлических и воздушно-плазменных источников ТИ наибольшая энергия достигалась при пробое воздуха двухцветными лазерными импульсами. Также были произведены измерения зависимости энергии ТИ от величины приложенного к области взаимодействия постоянного электрического поля и добавления к основной частоте лазерного поля ее второй гармоники. В тех случаях, когда лазерные импульсы были несфокусированными, и пробоя воздуха не наблюдалось, добавление второй гармоники (~1-2%) и постоянного электрического поля (до 15 кВ/см) не влияло на величину регистрируемого сигнала.

В заключении приведены основные результаты работы.

Заключение

Ниже перечислены основные полученные в диссертации результаты:

1. Теоретически показано, что взаимодействие оптических и терагерцовых импульсов при совместном распространении в электрооптических кристаллах приводит к изменениям энергии и спектра лазерного импульса, величина которых в каждый момент времени пропорциональна первой производной по времени от напряженности терагерцового поля. Найдена количественная связь между изменением параметров лазерного и терагерцового импульсов. Результаты теоретического анализа находятся в хорошем согласии с экспериментальными данными.

2. Экспериментально подтверждена возможность осуществления когерентного детектирования терагерцового излучения в условиях квазисинхронизма в кристаллах периодически поляризованного ниобата лития. Исследована возможность реализации новой схемы когерентного детектирования терагерцового излучения, основанной на изменении спектра оптического импульса в нелинейном кристалле. Экспериментально продемонстрировано, что на частотах выше 5 ТГц чувствительность предложенной схемы при использовании оптического фильтра с резким наклоном спектрального пропускания более чем на порядок превышает чувствительность стандартной электрооптической схемы. Предложен и апробирован новый способ калибровки детекторов терагерцового диапазона частот.

3. При генерации терагерцового излучения в сэндвич-структурах с сердцевиной из слоя ниобата лития измерены временная форма, спектр, а также зависимость энергии терагерцового излучения от энергии лазерных импульсов. Продемонстрирована высокая эффективность преобразования энергии фемтосекундного излучения титан-сапфирового лазера в терагерцовое излучение (до 0.25% при энергиях лазерных импульсов 1520 мкДж).

4. Показано, что при «аксиконном» пробое воздуха фемтосекундными лазерными импульсами генерируется излучение терагерцового диапазона частот (максимум спектра порядка I ТГц) с эффективностью оптико-терагерцовой конверсии порядка 510"8. Диаграмма направленности представляет собой конус с углом раскрыва, соответствующим направлению распространения оптического излучения. Поляризация терагерцового излучения радиальная относительно оси распространения излучения. Энергия и временная форма терагерцового излучения зависят от поляризации лазерных импульсов. Влияние приложенного постоянного поля на эффективность генерации незначительное.

5. Экспериментально показано, что при пробое воздуха линейно поляризованными фемтосекундными лазерными импульсами, фокусируемыми с помощью сферических линз, поперечное распределение энергии представляет собой два сегмента кольца с минимумом вдоль направления поляризации лазерного излучения. Поляризация излучения радиальная относительно оси распространения излучения. При круговой поляризации оптического излучения распределение энергии терагерцового излучения соответствует конической диаграмме направленности. В отличие от случая аксиконной фокусировки, наложение внешнего электрического поля приводит к значительному росту энергии терагерцового излучения и существенному изменению пространственных распределений его энергии и поляризации.

6. Показана возможность управления ориентацией вектора поляризации терагерцового излучения, генерируемого при пробое воздуха двухцветным лазерным импульсом, путем варьирования фазового сдвига между эллиптически поляризованным оптическим излучением на основной частоте и линейно поляризованным излучением на частоте его второй гармоники. Экспериментально продемонстрировано, что оптимальный сдвиг фазы второй гармоники излучения относительно первой (поляризованных линейно), при котором наблюдается наиболее эффективная генерация терагерцового излучения, зависит от интенсивности лазерных импульсов. При низких интенсивностях лазерного излучения величина оптимального фазового сдвига остается постоянной, а начиная с интенсивности порядка 4-Ю13 Вт/см2 монотонно уменьшается.

7. Экспериментально показано, что при облучении медных образцов фемтосекундными лазерными импульсами (длительность 50 фс, центральная длина волны 800 нм) с плотностью энергии 10-80 мДж/см2, энергия генерируемого на поверхности терагерцового излучения возрастает экспоненциально с увеличением энергии оптических импульсов. Эффективность преобразования энергии достигает величины порядка 10'6. Оптимальная поляризация лазерных импульсов — р-поляризация.

Содержание диссертации

Введение................................................................................................................3

Глава 1. Оптические методы генерации и регистрации терагерцовых импульсов..................................................................................14

1.1. Оптико-терагерцовые преобразования в кристаллах................................14

1.2. Оптико-терагерцовые преобразования в плазме и на поверхности металла..........................................................................................23

1.3. Стандартные схемы регистрации терагерцовых импульсов.................33

Глава 2. Исследование оптико-терагерцовых преобразований в нелинейных кристаллах, разработка и исследование новых схем детектирования и генерации терагерцового

излучения...................................................................................40

2.1. Узкополосное детектирование терагерцового излучения с использованием периодически поляризованных кристаллов ниобата лития.........................................................................................40

2.2. Влияние терагерцового поля на параметры фемтосекундных лазерных импульсов в широкополосных электрооптических кристаллах.................47

2.3. Детектирование терагерцового излучения по модификации спектра оптического импульса в электрооптическом кристалле.............................54

2.4. Перераспределение энергии между оптическими и терагерцовыми импульсами при их совместном распространении в широкополосных электрооптических кристаллах..........................................................61

2.5. Генерация терагерцового излучения в сэндвич-структуре...................66

Глава 3. Экспериментальное исследование преобразования фемтосекундных лазерных импульсов в терагерцовый диапазон в ионизированном газе и на поверхности металла...............................72

3.1. Генерация терагерцового излучения при фокусировке в воздухе фемтосекундных лазерных импульсов аксиконной линзой.....................72

3.2. Генерация терагерцового излучения при фокусировке в воздухе фемтосекундных лазерных импульсов сферическими линзами................82

3.3. Генерация терагерцового излучения при фокусировке в воздухе двухчастотных фемтосекундных лазерных импульсов сферическими линзами........................................................................................................91

3.4. Генерация терагерцового излучения при падении фемтосекундных

лазерных импульсов на поверхность металла............................................101

Заключение.......................................................................................................106

Список цитируемой литературы..................................................................108

Публикации автора по теме диссертации..................................................119

Список цитируемой литературы

1. Karpowicz N., Dai J., Lu X., Chen Y., Yamaguchi M., Zhao H, Zhang X.-C., Zhang L., Zhang C., Price-Gallagher M., Fletcher С., Mamer O., Lesimple A., Johnson K. Coherent heterodyne time-domain spectrometry covering the entire"terahertz gap" // Applied Physics Letters. - 2008. - V. 92. - P. 011131.

2. Jepsen P. U., Cooke D. G., and Koch M. Terahertz spectroscopy and imaging - Modern techniques and applications // Laser Photonics Reviews -2011. — V. 5. — № l.-P. 124-166.

3. Ulbricht R., Hendry E., Shan J., Heinz T. F., Bonn M. Carrier dynamics in semiconductors studied with time-resolved terahertz spectroscopy // Reviews of Modern Physics. -2011,-V. 83. -№ 2. -P. 543-586.

4. Kolner В. H., Buckles R. A., Conklin P. M., and Scott R. P. Plasma Characterization With Terahertz Pulses // IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics.-2008,-V. 14.-№2.-P. 505-512.

5. Son J.-H. Terahertz electromagnetic interactions with biological matter and their applications // Journal of Applied Physics. - 2009. - V. 105 - P. 102033.

6. Abraham E., Younus A., Delagnes J.C., Mounaix P. Non-invasive investigation of art paintings by terahertz imaging // Applied Physics A - 2010

- V. 100.-P. 585-590.

7. Leahy-Hoppa M. R., Fitch M. J., Osiander R. Terahertz spectroscopy techniques for explosives detection // Analytical and Bioanalytical Chemistry

- 2009. - V. 395. - № 2. - P. 247-257.

8. Yajima Т., Takeuchi N. Far-Infrared Difference-Frequency Generation by Picosecond Laser Pulses // Japanese Journal of Applied Physics. - 1970 - V 9 -P. 1361.

9. Yajima Т., Takeuchi N. Spectral Properties and Tunability of Far-Infrared Difference-Frequency Radiation Produced by Picosecond Laser Pulses // Japanese Journal of Applied Physics. - 1971. -V. 10. - P. 907.

10. Yang K., Richards P., Shen Y. Generation of Far-Infrared Radiation by Picosecond Light Pulses in LiNb03 // Applied Physics Letters. - 1971 - V 19 -P. 320.

11. Auston D. Subpicosecond electro-optic shock waves // Applied Physics Letters. - 1983. - V. 43. - P. 713.

12. Auston D., Cheung K., Valdmanis J., Kleinman D. Cherenkov Radiation from Femtosecond Optical Pulses in Electro-Optic Media // Physical Review Letters. - 1984. - V. 53. - P. 1555.

13. Auston D., Cheung K. Coherent time-domain far-infrared spectroscopy // Journal of the Optical Society of America B. - 1985. - V. 2. - P. 606.

14. Bonvalet A., Joffre M., Martin J., Migus A. Generation of ultrabroadband femtosecond pulses in the mid-infrared by optical rectification of 15 fs light

pulses at 100 MHz repetition rate // Applied Physics Letters. - 1995. - V. 67.

- P. 2907.

15. Kubler C., Huber R. and Leitenstorfer A. Ultrabroadband terahertz pulses: generation and field-resolved detection // Semiconductor Science and Technology. -2005. - V. 20. - P. 128-133.

16. Terahertz Optoelectronics / Ed. by K. Sakai. - Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2005. - V. 97 of Topics in Applied Physics.

17. Hamster H., Sullivan A., Gordon S., White W., and Falcone R. W. Subpicosecond, Electromagnetic Pulses from Intense Laser-Plasma Interaction // Physical Review Letters. - 1993. - V. 71. - P. 2725.

18. Minami Y., Kurihara Т., Yamaguchi K., Nakajima M., and Suemoto T. High-power THz wave generation in plasma induced by polarization adjusted two-color laser pulses // Applied Physics Letters. - 2013. - V. 102. - P. 041105.

19. [Online], -http://dl.z-thz.com/brochures/zap_1401_lr.pdf

20. Kitaeva G. Kh. Frequency conversion in aperiodic quasi-phase-matched structures // Physical Review A. - 2007. - V. 76. - P. 043841.

21. Bodrov S. В., Bakunov M. I., and Hangyo M. Efficient Cherenkov emission of broadband terahertz radiation from an ultrashort laser pulse in a sandwich structure with nonlinear core // Journal of Applied Physics. - 2008. -V. 104.-P. 093105.

22. Bakunov M. I. and Bodrov S. B. Si-LiNb03-airrmetal structure for concentrated terahertz emission from ultrashort laser pulses // Applied Physics B.

- 2010.-V.98.-P. 1-4.

23. Голубев С. В., Суворов Е. В., Шалашов А. Г. О возможности генерации терагерцового излучения при оптическом пробое газа // Письма в ЖЭТФ. - 2004. - Т. 79. - С. 443-447.

24. Kostin V. A. and Vvedenskii N. V. Ionization-induced conversion of ultrashort Bessel beam to terahertz pulse // Optics Letters. - 2010. - V. 35.

- P. 247-249.

25. D'Amico C., Houard A., Franco M., Prade В., and Mysyrowicz A. Conical Forward THz Emission from Femtosecond-Laser-Beam Filamentation in Air // Physical Review Letters. - 2007. - V. 98. - P. 235002.

26. Zharova N. A., Mironov V. A., and Fadeev D. A. Anisotropic effects of terahertz emission from laser sparks in air // Physical Review E. - 2010. - V. 82. -P. 056409.

27. Minami Y., Kurihara Т., Yamaguchi K., Nakajima M., and Suemoto T. Longitudinal terahertz wave generation from an air plasma filament induced by a femtosecond laser // Applied Physics Letters. - 2013. - V. 102. - P. 151106.

28. Cook D. J. and Hochstrasser R. M. Intense terahertz pulses by four-wave rectification in air // Optics Letters. - 2000. - V. 25. - P. 1210-1212.

29. Kress M., L6ffler Т., Eden S., Thomson M., and Roskos H. G. Terahertz-pulse generation by photoionization of air with laser pulses composed of both

fundamental and second-harmonic waves // Optics Letters. - 2004. - V 29 -№ 10.-P. 1120-1124.

30. Bartel Т., Gaal P., Reimann K., Woerner M., and Elsaesser T. Generation of single-cycle THz transients with high electric-field amplitudes // Optics Letters

- 2005. - V. 30. - № 20. - P. 2805-2807.

Публикации автора по теме диссертации

А1. Ахмеджанов Р.А., Иляков И.Е., Миронов В.А., Суворов Е.В., Фадеев Д.А., Шишкин Б.В. Генерация терагерцового излучения при аксиконной фокусировке ионизующих лазерных импульсов // Письма в ЖЭТФ. - 2008

- Т. 88. - № 9. _ с. 659-663.

А2. Ахмеджанов Р.А., Иляков И.Е., Миронов В.А., Суворов Е.В., Фадеев Д.А., Шишкин Б.В. О генерации терагерцового излучения при оптическом пробое в поле бихроматического лазерного импульса // ЖЭТФ. - 2009 -Т. 136. -№3,-С. 431-441.

A3. Ахмеджанов Р.А., Иляков И.Е., Миронов В.А., Суворов Е.В., Фадеев Д.А., Шишкин Б.В. Влияние спектрального состава лазерного импульса и постоянного электрического поля на эффективность генерации терагерцового излучения при оптическом пробое в воздухе // Известия вузов. Радиофизика. - 2009. - Т. 52. - № 7. - С. 536-549.

А4. Bodrov S.B., Stepanov A.N., Bakunov M.I., Shishkin B.V., Ilyakov I.E., and Akhmedzhanov R.A. Highly efficient optical-to-terahertz conversion in a sandwich structure with LiNb03 core // Optics Express. - 2009. - V. 17. - N° 3 -P. 1871-1879.

A5. Kitaeva G.Kh., Kovalev S.P., Naumova I.I., Akhmedzhanov R.A., Ilyakov I.E., Shishkin B.V., and Suvorov E.V. Quasi-phase-matched probe-energy electro-optic sampling as a method of narrowband terahertz detection // Applied Physics Letters. - 2010. - V. 96. - № 7. - P. 071106.

A6. Ковалев С.П., Китаева Г.Х., Ильин H.A., Иляков И.Е., Мишина Е.Д., Пенин А.Н., Сигов А.С. Нелинейно-оптическое детектирование терагерцового излучения в периодически поляризованных кристаллах // ВМУ. Серия 3. Физика. Астрономия. -2011. - № 1. - С. 12-18.

А7. Suvorov Е., Akhmedzhanov R., Fadeev D., Ilyakov I., Mironov V., Shishkin B. On the Peculiarities of THz Radiation Generation in a Laser Induced Plasmas // Journal of Infrared Millimeter and Terahertz Waves. - 2011. - V. 32 -№ 10.-P. 1243-1252.

A8. Bodrov S. В., Ilyakov I. E., Shishkin В. V., and Stepanov A. N. Efficient terahertz generation by optical rectification in Si-LiNb03-air-metal sandwich structure with variable air gap // Applied Physics Letters. - 2012. - V. 100 -№20.-P. 201114.

А9. Suvorov E.V., Akhmedzhanov R.A., Fadeev D.A., Ilyakov I.E., Mironov V.A., Shishkin B.V. Terahertz emission from a metallic surface induced by a femtosecond optic pulse // Optics Letters. - 2012. - V. 37. - № 13. - P. 25202522.

A10. Ilyakov I.E., Kitaeva G.Kh., Shishkin B.V., and Akhmedzhanov R.A. Laser pulse amplitude changes induced by terahertz waves under linear electro-optic effect// Applied Physics Letters.-2014,-V. 104.-№ 15.-P. 151107.

All. Ахмеджанов P.А., Иляков И.Е., Миронов В.А., Оладышкин И.В., Суворов Е.В., Фадеев Д.А., Шишкин Б.В. Генерация терагерцового излучения при взаимодействии интенсивных фемтосекундных лазерных импульсов с поверхностью металла // Известия вузов. Радиофизика. - 2014. - Т. 57. - № 11с. 902-916.

А12. Stepanov А. N.. Bodrov S. В., Ilyakov I. Е., Korytin A. I., Aleksandrov N. L., and Vvedenskii N. V. Efficient THz generation by femtosecond laser pulses and using THz radiation for plasma diagnostics // Terahertz Science and Technology.-2014.-V. 7.-№3.-P. 108-127.

A13. Иляков И.Е., Шишкин Б.В., Александров JI.А., Емелин М.Ю., Рябикин М.Ю. Генерация терагерцового излучения при оптическом пробое воздуха: зависимость оптимального фазового сдвига между компонентами двухцветного лазерного импульса от их интенсивности // Письма в ЖЭТФ -2015. — Т. 101. —№ 2. — С. 78-83.

А14. Ilyakov, I.E. Kitaeva G.Kh., Shishkin B.V., and Akhmedzhanov R.A. Terahertz wave electro-optic measurements with optical spectral filtering // Applied Physics Letters.-2015,-V. Ю6.-№ 12.-P. 121101.

A15. Ахмеджанов P.A., Водопьянов A.B., Иляков И.Е., Суворов Е.В., Третьяков М.Ю., Шишкин Б.В. Терагерцовое излучение при аксиконном пробое воздуха фемтосекундными импульсами // Сборник трудов V международного оптического конгресса Оптика - XXI век. - Санкт-Петербург. - 2008. - Т. 2. - С. 325-328.

А16. Бодров С.Б., Степанов А.Н., Шишкин Б.В., Иляков И.Е., Ахмеджанов Р.А., Бакунов М.И. Эффективная генерация терагерцового черенковского излучения фемтосекундными лазерными импульсами в сэндвич-структуре с сердцевиной из LiNb03 // Сборник трудов V международного оптического конгресса Оптика - XXI век. - Санкт-Петербург. - 2008. - Т. 2. - С. 298-301.

А17. Ахмеджанов Р. А., Иляков И. Е., Суворов Е. В., Шишкин Б. В. Генерация терагерцового излучения при пробое воздуха фемтосекундными лазерными импульсами // Сборник трудов VI международной конференции молодых ученых и специалистов 0птика-2009. - Санкт-Петербург - 2009 -С. 118-120.

А18. Akhmedzhanov R.A., Fadeev D.A., Ilyakov I.E., Mironov V.A., Shishkin B.V. Terahertz emission from laser-induced air plasma with the second

harmonic of the pump frequency // Proc. of the VII International Workshop Strong Microwaves: Sources and Applications. - N. Novgorod. - 2009. - V. 2

- P. 539-544.

A19. Suvorov E.V., Akhmedzhanov R.A., Bodrov S.B., Fadeev D.A., Ilyakov I.E., Mironov V.A., Stepanov A.N., Shishkin B.V., and Bakunov M.I. Generation of terahertz radiation by intense femtosecond pulses // Proc. of the VII International Workshop Strong Microwaves: Sources and Applications.

- N. Novgorod. - 2009. - V. 2. - P. 529-538.

A20. Иляков И.Е., Ахмеджанов P.A., Китаева Г.Х., Суворов Е.В., Шишкин Б.В. Перераспределение энергии между терагерцовыми и оптическими импульсами при совместном распространении в нелинейной среде И Сборник трудов VII международной конференции молодых ученых и специалистов 0птика-2011.- Санкт-Петербург. - 2011. - С. 593-594.

А21. Suvorov Е., Akhmedzhanov R., Fadeev D., Ilyakov I., Mironov V. and Shishkin B. Plasma mechanisms of THz radiation generation // Proc. of the 8-th International Workshop Strong Microwaves and Terahertz Waves: Sources and Applications. - N.Novgorod - St.-Petersburg. - 2011. - P. 231-232.

A22. Ilyakov I.E., Kitaeva G.Kh., Shishkin B.V., Akhmedzhanov R.A. Electro-optic sampling based on optical-terahertz energy exchange // Proc. of the 9-th International Workshop Strong Microwaves and Terahertz Waves: Sources and Applications. - N.Novgorod-Perm-N.Novgorod. - 2014. - P. 235-236.

A23. Александров JI.H., Емелин М.Ю., Иляков И.Е., Шишкин Б.В., Рябикин М.Ю. Кулоновские эффекты при генерации направленных токов двухцветным лазерным полем в газе: от теории к эксперименту // Труды XVIII научной конференции по радиофизике, посвященной Дню радио. -

H. Новгород. -2014. - С.154-155.

А24. Ахмеджанов Р.А., Иляков И.Е., Шишкин Б.В. Терагерцовое излучение лазерной искры в воздухе, создаваемой импульсами фемтосекундной длительности // Тезисы докладов XIV научной школы Нелинейные волны - 2008. - Н. Новгород. - 2008. - С. 63-64.

А25. Bodrov S.B., Stepanov A.N., Shishkin B.V., Ilyakov I.E., Akhmedzhanov R.A., and Bakunov M.I. Efficient Terahertz Generation from a Femtosecond Laser Pulse Propagating in a Si-LiNb03-glas Structure // International Conference Laser Optics 2008. - St.-Petersburg. - 2008.

A26. Akhmedzhanov R.A., Fadeev D.A., Ilyakov I.E., Mironov V.A., Shishkin B.V. Terahertz emission from laser-induced air plasma with the second harmonic of the pump frequency // Abstracts of the VII International Workshop Strong Microwaves: Sources and Applications. - 2008. - N. Novgorod. - P. 123. A27. Suvorov E.V., Akhmedzhanov R.A., Bodrov S.B., Fadeev D.A., Ilyakov

I.E., Mironov V.A., Stepanov A.N., Shishkin B.V., and Bakunov M.I. Generation of terahertz radiation by intense femtosecond pulses II Abstracts of the VII

International Workshop Strong Microwaves: Sources and Applications. - N. Novgorod. - 2008.

A28. Akhmedzhanov R.A., Ilyakov I.E., Mironov V.A., Suvorov E.V., Fadeev D.A., Shishkin B.V. Investigation of THz radiation generation in a laser spark of axicon discharge // 33rd International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves. - Pasadena, USA. - 2008. - W5D50.

A29. Bodrov S.B., Stepanov A.N., Shishkin B.V., Ilyakov I.E., Akhmedzhanov R.A., and Bakunov M.I. Efficient Optical-to-Terahertz Conversion of Femtosecond Laser Pulses Propagating Along a Sandwich Structure with Thin LiNb03 Core // 33rd International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves. - Pasadena, USA. -2008. - W5D43.

A30. Ахмеджанов P. А., Иляков И. E., Суворов E. В., Шишкин Б. В. Экспериментальное исследование генерации терагерцового излучения при оптическом пробое в атмосфере // Тезисы докладов всероссийского семинара по радиофизике миллиметровых и субмиллиметровых волн.

- Н.Новгород. - 2009. - С. 20-21.

A31. Akhmedzhanov R.A., Ilyakov I.E., Shishkin B.V., Suvorov E.V. Terahertz pulse generation in a laser induced air plasma // Abstracts of 4th Asia Summer School & Symposium on Laser-Plasma Acceleration and Radiation.

- Hsinchu, Taiwan. - 2009. - P. 28.

A32. Kitaeva G.Kh., Kovalev S.P., Naumova, I.I., Akhmedzhanov R.A., Ilyakov I.E., Shishkin В.V., Suvorov E.V. A new method of terahertz detection: probe-energy electro-optic sampling // 35th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves. - Rome, Italy. - 2010. - Mo-P.20.

A33. Suvorov E., Akhmedzhanov R., Fadeev D., Ilyakov I., Mironov V., Shishkin B. Generation of THz radiation in a laser spark // 35th International Conference on Infrared Millimeter and Terahertz Waves. - Rome, Italy. - 2010. -Ти-СЗ.5.

A34. Suvorov E.V., Akhmedzhanov R.A., Ilyakov I.E., Mironov V.A., Fadeev D.A., Shishkin B.V. Generation of the THz radiation in a laser spark // Digest reports of International Symposium Terahertz Radiation: Generation and Application. - Novosibirsk. - 2010. - P. 50.

A35. Ахмеджанов P.A., Иляков И.Е., Миронов B.A., Суворов Е.В., Фадеев Д.А., Шишкин Б.В. О генерации терагерцового излучения при оптическом пробое газов П Тезисы докладов VIII всероссийского семинара по радиофизике миллиметровых и субмиллиметровых волн. - Н. Новгород. -2011.-С. 29-31.

А36. Иляков И.Е., Ахмеджанов Р.А., Китаева Г.Х., Суворов Е.В., Шишкин Б.В. Модуляция энергии фемтосекундных импульсов в кристалле ZnTe полем терагерцового диапазона частот // Тезисы докладов VIII всероссийского семинара по радиофизике миллиметровых и субмиллиметровых волн. - Н. Новгород. - 2011. - С. 36.

А37. Bodrov S., Ilyakov I., Shishkin В., Stepanov A. Terahertz Generation Control by Metal Substrate in Sandwich Structure with Thin LiNb03 // Abstracts of the Conference on Lasers and Electro-Optics Europe and 12th European Quantum Electronics Conference (CLEO/Europe - EQEC 2011). - Munich, Germany. - 2011. - CC4.6 SUN.

A38. Akhmedzhanov R. A., Fadeev D. A., Ilyakov I. E., Mironov V. A., Shishkin В. V., Suvorov E. V. Terahertz radiation from metallic surface irradiated by femtosecond laser pulses // TERA 2012 abstract book. - Moscow. - 2012. -P.31.

A39. Ахмеджанов P.A., Иляков И.Е., Миронов B.A., Суворов Е.В., Фадеев Д.А., Шишкин Б.В. Генерация терагерцового излучения при взаимодействии фемтосекундного лазерного излучения с металлической поверхностью // Тезисы докладов IX всероссийского семинара по радиофизике миллиметровых и субмиллиметровых волн. — Н. Новгород. -2013.-С. 29-30.

А40. Suvorov Е. V., Akhmedzhanov R. A., Mironov V. A., Oladyshkin I. V., Ilyakov I. Е., Shishkin В. V., Fadeev D. A. Terahertz generation from metal surface induced by femtosecond laser pulse // ICONO/LAT. - Moscow. - 2013. - P. JSC2.

A41. Alexandrov L.N., Emelin M.Yu., Ilyakov I.E., Shishkin B.V., and Ryabikin M.Yu. THz wave generation by photoionization of air: intensity-dependent optimal phase shift between components of two-color laser field // Abstracts of 13th International Conference on Multiphoton Processes (ICOMP13, 2014). - Shanghai, China. -2014. - P07.

ИЛЯКОВ Игорь Евгеньевич

ИССЛЕДОВАНИЕ НОВЫХ СХЕМ ГЕНЕРАЦИИ И ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ТЕРАГЕРЦОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, ОСНОВАННЫХ НА ВЗАИМОДЕЙСТВИИ ФЕМТОСЕКУНДНЫХ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ С ТВЕРДОТЕЛЬНЫМИ И ГАЗОВЫМИ СРЕДАМИ

Автореферат

Подписано к печати 30.06.2015 г. Формат 60x90 '/1«. Усл. печ. л. 1,75. Тираж 100 экз. Заказ № 62 (2015).

Отпечатано на ризографе в типографии Института прикладной физики РАН • 603950, г. Н. Новгород, ул. Ульянова, 46