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

2
Оглавление
Введение 5
Глава 1 Управление спектральными характеристиками нелинейно-оптических терагерцовых генераторов и детекторов в режиме квазисинхронизма 18
§ 1.1 Связь параметров нелинейной среды и падающего оптического излучения со спектральными характеристиками устройств, основанных на трехчастотном параметрическом
взаимодействии .......................................... 19
§ 1.2 Генерация терагерцового излучения при оптическом выпрямлении ......................................................... 22
п. 1.2.1 Фуре-ограниченные импульсы (фемтосекундные импульсы) лазерной накачки......................................... 24
п. 1.2.2 Широкополосные Фурье-неограниченные импульсы лазерной накачки .............................................. 24
§ 1.3 Квазисинхронное детектирование в условиях накачки ультракороткими импульсами или квазинепрерывным излучением ............................................................ 25
п. 1.3.1 Временное стробирование (фемтосекундная накачка) ... 27
п. 1.3.2 Нелинейно-оптическое преобразование частоты (квази-
непрерывная накачка).................................. 28
3
§ 1.4 Управление спектральными характеристиками квазисинхрон-ных генераторов и детекторов за счет нелинейной функции
передачи кристалла или спектра оптической накачки ........ 29
§ 1.5 Заключение по Главе 1..................................... 36
Глава 2 Спектроскопия спонтанного параметрического рассеяния света как метод определения рабочих параметров и качества кристаллов для генерации излучения тера-герцового диапазона 37
§ 2.1 Периодически поляризованные кристаллы для терагерцовой
генерации и их рабочие характеристики..................... 37
§ 2.2 Метод СПР для определения оптических и нелинейнооптических характеристик кристаллов, роль Т-функции................. 45
§ 2.3 Установка для измерения частотно-угловых спектров СПР в
терагерцовом диапазоне холостых частот.................... 50
§ 2.4 Исследование периодически и апериодически поляризованных кристаллов ниобата лития для генерации тератерцового
излучения в геометрии еее................................. 55
§ 2.5 Заключение по Главе 2..................................... 70
Глава 3 Терагерцовая спектроскопия временного разрешения как »метод исследования апериодически поляризованных кристаллов терагерцовых генераторов 71
§ 3.1 Терагерцовая спектроскопия временного разрешения.......... 72
§ 3.2 Измерение спектральных характеристик кристалла-генератора методом терагерцовой спектроскопии временного
разрешения................................................ 77
§ 3.3 Метод накачки-зондирования для исследования квазисин-
хронных кристаллов-генераторов терагерцового излучения .. 82
4
§ 3.4 Экспериментальное исследование поляризованных кристаллов ниобата лития методом накачки-зондирования................. 86
§ 3.5 Заключение по Главе 3..................................... 94
Глава 4 Генерация квазинепрерывного излучения терагерцо-
вого диапазона методом оптического выпрямления 95
§ 4.1 Методы генерации терагерцового излучения ................. 95
§ 4.2 Экспериментальная установка для генерации квазинепрерывного терагерцового излучения методом оптического выпрямления..........................................................103
§ 4.3 Генерация широкополосного терагерцового излучения в кристалле 2пТе....................................................111
§ 4.4 Генерация терагерцового излучения в периодически поляризованных кристаллах Mg:Y:Li^rbOз и ЫЫЬОз.......................115
§ 4.5 Заключение по Главе 4.....................................120
Заключение
121
5
Введение
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
6
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 10-2 [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 нелинейнооптическая восприимчивость, коэффициенты поглощения и величина фазовой расстройки синхронизма. В различных работах (например, 17—11]) в качестве нелинейной среды рассматривались полупроводники, полиме-
7
ры, органические кристаллы, сегнетоэлектрики и ионизированные газы. Каждая из этих сред обладает своими преимуществами и недостатками. Рекорд эффективности преобразования принадлежит ниобату литии, легированному магнием.
Кристаллы ниобата лития имеют высокое значение нелинейной восприимчивости. Большие значения имеют лишь немногие нелинейные среды - органический кристалл ОАБТ, полупроводник ОаАэ. 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* Ю“2) [12].
Другая возможность - периодическое изменение знака нелинейной восприимчивости х^ [^З]. 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 фазозой 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 они-
8
сан 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
9
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 фемтосекундных импульсов спектр излучения, падающего на нелинейную среду, является широкополосным, а генерация осуществляется за счет генерации
10
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 пре-
11
имущества метода оптического выпрямления и использовать в качестве накачки кристаллов-генераторов технически менее сложные, чем фемтосекундные лазеры, источники широкополосных Фурье-неограниченных импульсов.
Целью диссертационной работы являлось исследование условий генерации терагерцового излучения в кристаллах с одномерной пространственной модуляцией нелинейно-оптической восприимчивости:
1. влияние характера пространственной модуляции нелинейнооптической восприимчивости на спектральные характеристики генерируемого излучения,
2. возможность управления спектрами генерации в режиме оптического выпрямления импульсов накачки,
3. возможность генерации квазинепрерывного излучения методом оптического выпрямлении широкополосного оптического излучения.
Для решения поставленных целей 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 мультичастотыой генерации в кристалле с известным распределением х^2Кх) методом терагер-цовой спектроскопии временного разрешения и сравнение со спектральным откликом, расчитанным методом Т-функции.