ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ СО СКОШЕННЫМ ФРОНТОМ ИНТЕНСИВНОСТИ В ТЕРАГЕРЦЕВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ НА ОСНОВЕ ПЛОСКОГО СЛОЯ НИОБАТА ЛИТИЯ Российский патент 2024 года по МПК G02F2/02 

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для преобразования энергии фемтосекундных лазерных импульсов со скошенным фронтом интенсивности в энергию широкополосного терагерцевого излучения, и может быть использовано в качестве источника излучения для установок терагерцевой спектроскопии и имиджинга, терагерцевых ускорителей электронных сгустков и устройств сверхбыстрого управления намагниченностью материалов.

Оптическое выпрямление фемтосекундных лазерных импульсов со скошенным (по отношению к фазовым фронтам) фронтом интенсивности в кристалле ниобата лития (LiNbO₃) является надежным методом генерации сильных (до МВ/см и Тл) электромагнитных полей в низкочастотной части терагерцевого диапазона частот (~0,1-2 ТГц). Сильные терагерцевые поля этой области частот востребованы для целого ряда научных и практических приложений. При накачке кристалла LiNbO₃ скошенными лазерными импульсами были достигнуты энергии терагерцевого импульса до 1,5 мДж.

Известен аналог заявляемого оптико-терагерцевого преобразователя (см. статью J. A. Fülöp, L. Pálfalvi. G. Almási, and J. Hebling, «Design of high-energy terahertz sources based on optical rectification», Opt. Express, 2010, Vol. 18, P. 12311-12327). В указанной статье для обеспечения вывода генерируемого терагерцевого излучения из кристалла LiNbO₃ выходная грань кристалла делается наклоненной под углом 63° по отношению к входной грани, т.е. используется кристалл в виде призмы. Скос фронта импульса накачки достигается за счет дифракции лазерного пучка на оптической решетке, изображение которой переносится внутрь призмы LiNbO₃ с помощью линзы или телескопа. В области изображения решетки происходит воспроизведение дифрагированного лазерного импульса. Фронт интенсивности лазерного импульса ориентирован параллельно выходной грани призмы.

Недостатком аналога является сильная поперечная неоднородность генерируемого терагерцевого пучка. Терагерцевые волны, генерируемые противоположными краями пучка накачки (у вершины и основания призмы), имеют разные длины оптико-терагерцевого взаимодействия. Кроме того, различные части импульса накачки проходят разные расстояния в призме и вследствие этого по-разному искажаются под действием факторов самомодуляции и обратного воздействия генерируемых терагерцевых волн. Все это приводит к поперечной неоднородности интенсивности и временной формы поля в терагерцевом пучке.

Известен аналог заявляемого изобретения (см. статью В. Zhang, Z. Ma, J. Ma, X. Wu, С.Ouyang, D. Kong, Т. Hong, X. Wang, Р. Yang, L Chen, Y. Li, and J. Zhang, «1.4-mJ high energy terahertz radiation from lithium niobates», Laser Photonics Rev., 2021, Vol. 15, P. 2000295). В указанной статье были использованы две соединенные призмы LiNbO₃ со сторонами 6-7 см и общей высотой 8 см.

Недостатком аналога является неэффективное использование объема призм LiNbO₃. Генерация терагерцевого излучения происходит в узкой окрестности изображения решетки. Чтобы снизить влияние сильного терагерцевого поглощения в LiNbO₃, эта рабочая область кристалла располагается вблизи выходной грани кристалла. При этом основная часть объема кристалла, предшествующего плоскости изображения решетки, не используется для генерации терагерцевого излучения.

В качестве прототипа выбрана схема, основанная на использовании плоскопараллельной пластины LiNbO₃ со ступенчатой структурой на входной поверхности (см. статью L. Pálfalvi, G. Tóth, L. Tokodi, Z, Márton, J. A. Fülöp, G. Almási, and J. Hebling, «Numerical investigation of a scalable setup for efficient terahertz generation using a segmented tilted-pulse-front excitation», Opt. Express, 2017, Vol. 25, P. 29560-29573). В статье приведены теоретические расчеты оптико- терагерцевого преобразования в эшелонированном слое LiNbO₃. При использовании лазерных импульсов энергии 50 мДж, длительности 500 фс эффективность преобразования составила ~1%.

Недостатком прототипа является необходимость использования кристалла LiNbO₃ с гравировкой субмиллиметровой ступенчатой структуры на входной грани, изготовление которой представляет большую сложность.

Техническим результатом, который достигается при осуществлении предлагаемого изобретения, является создание преобразователя скошенных фемтосекундных лазерных импульсов в терагерцевое излучение с улучшенными характеристиками: улучшены возможности масштабирования энергии генерируемого терагерцевого излучения; устранен негативный эффект сильной поперечной неоднородности терагерцевого пучка; устранена необходимость использования призмы большого размера из электрооптического материала.

Указанный технический результат обеспечивается тем, что предлагаемый оптико-терагерцевый преобразователь состоит из электрооптического кристалла, выполненного в виде плоскопараллельной пластины толщиной около 1 мм, способного преобразовывать поступающие через его грань, на которую нанесено просветляющее покрытие, фемтосекундные лазерные импульсы со скошенным фронтом интенсивности в терагерцевое излучение, и согласующего элемента, выполненного в виде треугольной призмы, из материала, прозрачного в терагерцевом диапазоне частот, и размещенного на противоположной грани электрооптического кристалла с целью вывода генерируемого терагерцевого излучения в свободное пространство. На граничащую с призмой грань электрооптического кристалла нанесено отражающее лазерное излучение покрытие для предотвращения оптической генерации в призме свободных носителей, способных поглощать терагерцевое излучение. Острый угол согласующей призмы имеет такую величину, чтобы обеспечивать нормальное падение на выходную грань призмы прошедшего в призму из электрооптического кристалла терагерцевого излучения.

Плоскопараллельная пластина, преобразующая фемтосекундные лазерные импульсы в терагерцевое излучение, выполнена из кристалла LiNbO₃ с такой ориентацией кристаллографических осей, что ось [001] является перпендикулярной к направлению распространения и параллельной вектору напряженности электрического поля фемтосекундных лазерных импульсов а также являющейся параллельной грани электрооптического кристалла, находящейся в соприкосновении с гранью размещения гипотенузы треугольной призмы. Согласующая призма выполнена из кремния с углом при основании 60°.

На фиг. 1 - вид сбоку оптико-терагерцевого преобразователя, где изображен ход оптического и терагерцевого излучений в преобразующей пластине и ход терагерцевого излучения в кремниевой призме; на фиг. 2 представлено схематическое изображение предлагаемого оптико-терагерцевого преобразователя; на фиг. 3 зависимости угла при вершине выходной призмы и эффективности оптико-терагерцевого преобразования от угла падения лазерного пучка; на фиг. 4 построены зависимости эффективности оптико-терагерцевого преобразования от энергии, длительности лазерных импульсов и ширины пучка: 60 фс и 5 мм - кресты, 3,7 мм - пустые кружки, 120 фс - заполненные кружки, 150 фс и 6 мм - пустые звезды и 4 мм - заполненные звезды.

Предлагаемый оптико-терагерцевый преобразователь работает следующим образом. Падающий на входную грань ABCD пластины фемтосекундный лазерный импульс со скошенным фронтом интенсивности (см. фиг. 1) распространяется в пластине и индуцирует вследствие оптического выпрямления импульс нелинейной поляризации, который, в свою очередь, генерирует терагерцевое излучение. В пластине фронт лазерного импульса наклонен по отношению к фазовым фронтам под углом, близким к углу неколлинеарного оптико-терагерцевого синхронизма. Сгенерированное в пластине терагерцевое излучение распространяется ортогонально фронту лазерного импульса и выводится в свободное пространство через согласующую кремниевую призму.

Подтверждением технического результата заявляемого изобретения служит следующее расчетное обоснование. В качестве электрооптического материала для преобразующей пластины толщиной 1 мм выбран кристалл LiNbO₃. Импульс титан-сапфирового лазера с длиной волны 800 нм, длительностью 100 фс, шириной 5 мм и пиковой интенсивностью 10 ГВт/см², падает на входную грань преобразующей пластины. Оптическая [001] ось кристалла ориентирована в плоскости пластины ортогонально направлению распространения лазерного импульса. Применяя закон Снеллиуса к границам раздела воздух-LiNbO₃ и LiNbO₃-кремний были рассчитаны зависимости угла ψ при вершине выходной призмы от угла θ падения лазерного пучка на входную грань пластины LiNbO₃ (фиг. 3а). Была рассчитана зависимость эффективности оптико-терагерцевого преобразования от угла падения лазерного пучка (фиг. 3б).

Проведено экспериментальное исследование эффективности оптико-терагерцевого преобразования в зависимости от энергии и длительности лазерных импульсов. В схеме использовался преобразователь с пластиной LiNbO₃ размера 1×2 см, толщиной 1 мм, кремниевой призмой для вывода терагерцевого излучения и диэлектрической призмой для ввода лазерного излучения, вместо просветляющего покрытия, как в заявляемом изобретении. Лазерные импульсы с энергией ~мДж были преобразованы в терагерцевое излучение с эффективностью ~0,1%.

Изобретение относится к оптическим устройствам для преобразования энергии фемтосекундных лазерных импульсов со скошенным фронтом интенсивности в энергию широкополосного терагерцевого излучения. Преобразователь лазерных импульсов со скошенным фронтом интенсивности в терагерцевое излучение, содержащий плоскопараллельную пластину, выполненную из электрооптического кристалла, способного преобразовывать фемтосекундные лазерные импульсы, имеющие скошенный фронт интенсивности, поступающие в пластину через её входную поверхность, в терагерцевое излучение, при этом плоскопараллельная преобразующая пластина выполнена из кристалла ниобата лития, при этом ось кристалла ориентирована в плоскости пластины ортогонально направлению распространения лазерного импульса, на входную грань преобразующей пластины нанесено просветляющее покрытие, на выходной грани преобразующей пластины размещён согласующий элемент, выполненный в виде треугольной призмы, из материала, прозрачного в терагерцевом диапазоне частот, с целью вывода генерируемого терагерцевого излучения в свободное пространство. Технический результат – улучшение выходных характеристиками. 4 ил.

Преобразователь лазерных импульсов со скошенным фронтом интенсивности в терагерцевое излучение, содержащий плоскопараллельную пластину, выполненную из электрооптического кристалла, способного преобразовывать фемтосекундные лазерные импульсы, имеющие скошенный фронт интенсивности, поступающие в пластину через ее входную поверхность, в терагерцевое излучение, отличающийся тем, что плоскопараллельная преобразующая пластина выполнена из кристалла ниобата лития, при этом ось [001] кристалла ориентирована в плоскости пластины ортогонально направлению распространения лазерного импульса, на входную грань преобразующей пластины нанесено просветляющее покрытие, на выходной грани преобразующей пластины размещён согласующий элемент, выполненный в виде треугольной призмы, из материала, прозрачного в терагерцевом диапазоне частот, с целью вывода генерируемого терагерцевого излучения в свободное пространство.