ОПТИКО-ТЕРАГЕРЦОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С ПОЛУКОНИЧЕСКИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ ВЫВОДА ТЕРАГЕРЦОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2025 года по МПК G02F2/02 G02F1/35 

Изобретение относится к оптическим устройствам, предназначенным для преобразования импульсов фемтосекундных лазерных осцилляторов ближнего инфракрасного диапазона в широкополосное терагерцовое излучение, и может быть использовано в качестве источника излучения в установках терагерцовой спектроскопии во временной области.

В настоящее время техники терагерцовой спектроскопии во временной области и терагерцовой интроскопии находят применение для решения все новых практических задач, в том числе для неразрушающего контроля композитных материалов и покрытий в автомобильной и авиационной промышленности, инспекции почтовых отправлений, неразрушающего контроля качества фармакологических препаратов и продуктов питания, исследования предметов искусства и археологических артефактов. Развитие практических приложений терагерцовой фотоники стимулирует разработку новых эффективных и компактных источников терагерцового излучения.

Одним из наиболее эффективных методов генерации широкополосного (импульсного) терагерцового излучения является оптическое выпрямление ультракоротких лазерных импульсов в кристалле ниобата лития (LiNbO₃), что в первую очередь обусловлено высоким коэффициентом квадратичной нелинейности этого материала. Для обеспечения синхронизма скоростей лазерного импульса накачки и генерируемой терагерцовой волны, а также для снижения поглощения волны в кристалле широко используется черенковская схема генерации, в которой лазерный импульс распространяется в тонком слое ниобата лития, а терагерцовое излучение выводится из слоя через прикрепленную к слою кремниевую призму.

Известен аналог заявляемого изобретения (см. статьи M.I. Bakunov, E.A. Mashkovich, M.V. Tsarev, S.D. Gorelov, Efficient Cherenkov-type terahertz generation in Si-prism-LiNbO₃-slab structure pumped by nanojoule-level ultrashort laser pulses, Applied Physics Letters, 2012, Vol. 101, P. 151102; S.B. Bodrov, I.E. Ilyakov, B.V. Shishkin, A.N. Stepanov, Efficient terahertz generation by optical rectification in Si-LiNbO₃-air-metal sandwich structure with variable air gap, Applied Physics Letters, 2012, Vol. 100, P. 201114), состоящий из тонкой пластины, выполненной из кристалла LiNbO₃, и прикрепленной к пластине кремниевой треугольной призмы с углом при основании 41°, служащей для вывода терагерцового излучения из кристалла в свободное пространство.

В указанных статьях было продемонстрировано, что аналог может служить эффективным оптико-терагерцовым преобразователем как при накачке импульсами усиленной лазерной системы (эффективность преобразования 0,25% при энергии лазерного импульса 20 мкДж), так и при накачке импульсами оптического осциллятора (эффективность 0,08% при энергии лазерного импульса 8 нДж).

Недостатком аналога является наличие провала в генерируемом спектре (на частоте около 1,2 ТГц), который возникает вследствие деструктивной интерференции терагерцовых волн, выходящих в кремниевую призму из слоя LiNbO₃ непосредственно и после отражения от границы LiNbO₃-воздух.

Известен аналог заявляемого изобретения (см. статью S.B. Bodrov, M.I. Bakunov, M. Hangyo, Efficient Cherenkov emission of broadband terahertz radiation from an ultrashort laser pulse in a sandwich structure with nonlinear core, Journal of Applied Physics, 2008, Vol. 104, P. 093105), состоящий из тонкого слоя кристалла LiNbO₃ и двух контактирующих с его противоположными поверхностями кремниевых треугольных призм, которые выводят терагерцовое излучение в воздух в виде двух пучков, направленных под углом ±49° к плоскости кристаллического слоя.

У данного аналога отсутствует провал в терагерцовом спектре. Однако недостатком является распространение двух терагерцовых пучков почти в ортогональных направлениях, что затрудняет сбор терагерцовой энергии для последующего практического использования.

Известен аналог заявляемого изобретения (см. статью S. Fan, H. Takeuchi, T. Ouchi, K. Takeya, K. Kawase, Broadband terahertz wave generation from a MgO:LiNbO₃ ridge waveguide pumped by a 1.5 μm femtosecond fiber laser, Optics Letters, 2013, Vol. 38, P. 1654-1656), состоящий из гребневого микроволновода (длиной 10 мм и поперечными размерами 3,8 мкм × 5 мкм), изготовленного из кристалла LiNbO₃ и прикреплённого к кремниевой линзе, выполненной в форме полуконуса с углом 40° между образующей и высотой.

В статье показано, что аналог может быть эффективным конвертером импульсов оптического осциллятора в широкополосное терагерцовое излучение: лазерное излучение мощностью 40 мВт было преобразовано в терагерцовые импульсы с эффективностью 6,8×10^-4 (0,068%). Сравнительно высокая эффективность преобразования была достигнута вследствие высокой концентрации оптического излучения накачки в микроволноводе, изготовление которого, однако, требует специальной высокоточной технологии и эффективность ввода лазерного излучения в который низка. Недостатком аналога является также сильная расходимость выходного терагерцового пучка, имеющего конический волновой фронт вследствие выхода терагерцового излучения в свободное пространство через полуконическую линзу. Это обстоятельство затрудняет сбор и практическое использование терагерцовых импульсов.

В качестве прототипа выбрана слоистая структура (RU 2724974), состоящая из тонкой (толщиной в несколько десятков микрон) пластины LiNbO₃, расположенной между двумя кремниевыми треугольными призмами с углами при основаниях 24,5°. Призмы служат для двустороннего вывода терагерцового излучения из пластины LiNbO₃, его последующей коллимации путем полного внутреннего отражения на гипотенузах призм и дальнейшего вывода излучения через катеты призм в свободное пространство (см. статьи M.I. Bakunov, E.S. Efimenko, S.D. Gorelov, N.A. Abramovsky, S.B. Bodrov, Efficient Cherenkov-type optical-to-terahertz conversion with terahertz beam combining, Opt. Lett., 2020, Vol. 45, P. 3533-3536; M.A. Kurnikov, N.A Abramovsky, A.I. Shugurov, S.B. Bodrov, M.I. Bakunov, Efficient Cherenkov-type optical-to-terahertz conversion of femtosecond oscillator pulses, Photonics, 2024, Vol. 11, P. 62).

В указанных статьях экспериментально продемонстрировано, что прототип, в принципе, способен работать как при накачке импульсами усиленной лазерной системы (эффективность 0,35% при энергии лазерного импульса 10 мкДж), так и при накачке импульсами оптического осциллятора (эффективность 0,0023% при энергии лазерного импульса 3,75 нДж). Двусторонний вывод излучения из пластины LiNbO₃ обеспечивает отсутствие провала в генерируемом спектре, а коллимация терагерцовых пучков призмами полного внутреннего отражения позволяет сформировать единый пучок, удобный для практического использования.

Недостатком прототипа является его привязка к определенной геометрии фокусировки оптического пучка накачки, а именно, конструкция прототипа рассчитана под фокусировку пучка накачки цилиндрической линзой, формирующей фокальное пятно в виде нити на входной границе кристалла. Наводимый при этом в кристалле нитевидный нелинейный источник генерирует черенковское излучение в виде клина с плоскими фазовыми фронтами, падающими под определенным углом на плоские грани кремниевых призм. Цилиндрическая фокусировка, однако, неприменима при накачке прототипа оптическими осцилляторами, имеющими малую (в несколько наноджоулей) энергию импульса, поскольку при этом не обеспечивается необходимая для эффективного оптического выпрямления высокая оптическая интенсивность. Между тем, для спектроскопических приложений накачка оптическими осцилляторами, имеющими более высокую, чем усиленные лазерные системы, частоту повторения (около 100 МГц вместо 1 кГц), является предпочтительной из-за потенциально более высокого отношения сигнал/шум и существенно меньшей стоимости осцилляторов. В этом случае для достижения высокой оптической интенсивности требуется фокусировка пучка накачки сферической линзой в точку. Наводимый при этом в кристалле точечный нелинейный источник генерирует терагерцовое излучение в виде черенковского конуса, различные части которого падают на плоские грани призм под разными углами, что значительно снижает эффективность вывода терагерцового излучения в свободное пространство и приводит к формированию на выходе сильно расходящегося терагерцового пучка, неудобного для практического использования.

Техническим результатом, который достигается при осуществлении предлагаемого изобретения, является создание преобразователя импульсов фемтосекундных лазерных осцилляторов в широкополосное терагерцовое излучение с улучшенными характеристиками: увеличена эффективность оптико-терагерцового преобразования в режиме сферической фокусировки оптического пучка накачки; улучшено качество генерируемого терагерцового пучка (достигнута его коллимация).

Указанный технический результат обеспечивается тем, что предлагаемый оптико-терагерцовый преобразователь состоит из электрооптического кристалла, выполненного в виде плоскопараллельной пластины толщиной в несколько десятков микрометров, способного преобразовывать сферически сфокусированные фемтосекундные лазерные импульсы в широкополосное терагерцовое излучение, и двух полуконических согласующих элементов для вывода излучения из кристалла в свободное пространство.

При этом тонкая пластина, преобразующая оптическое излучение в терагерцовое, выполнена из кристалла LiNbO₃, причём его оптическая ось перпендикулярна лазерному пучку и параллельна вектору напряженности электрического поля оптического импульса, а также параллельна поверхностям пластины, контактирующим с согласующими элементами. Пластина имеет форму равнобедренной трапеции, у которой меньшее основание является ребром входной торцевой грани, а большее основание - выходной. Угол между высотой и боковой стороной трапеции составляет 24,5°.

Согласующие элементы выполнены из высокоомного кремния, прозрачного в терагерцовом диапазоне частоте, и имеют вид половин усечённого конуса, образующая которого наклонена к высоте под углом 24,5°. Диаметры кругов, являющихся основаниями усечённого конуса, равны длинам оснований равнобедренной трапеции.

На фиг. 1 схематически представлено изображение предлагаемого оптико-терагерцового преобразователя, на фиг. 2 - зависимость эффективности оптико-терагерцового преобразования от мощности накачки при сферической фокусировке пучка линзой с фокусным расстоянием 5 см, на фиг. 3 представлен поперечный профиль терагерцового пучка на разных расстояниях от преобразователя, на фиг. 4 - временная форма и спектр терагерцового импульса.

Предлагаемый оптико-терагерцовый преобразователь состоит из электрооптического кристалла 1 в виде плоскопараллельной пластины, имеющей форму равнобедренной трапеции (см. фиг. 1), к которой приклеены согласующие элементы в форме половин усечённого конуса: половина 2а приклеена к поверхности пластины ABCD, а 2б приклеена к поверхности A₁B₁C₁D₁. Угол между высотой, опущенной из точки A и стороной AD трапеции ABCD составляет 24,5°.

Изобретение работает следующим образом. Сфокусированный в точку оптический пучок накачки падает на входную грань электрооптического кристалла AA₁B₁B, причём для наибольшей эффективности преобразования пучок должен фокусироваться в точку пересечения диагоналей AB₁ и A₁B. Распространяясь в кристалле, лазерный импульс наводит нелинейную поляризацию, которая генерирует терагерцовое излучение в виде черенковского конуса. Предложенная геометрия преобразователя обеспечивает полное внутреннее отражение терагерцового излучения от боковых поверхностей половин усеченного конуса и дальнейшую коллимацию вдоль направления распространения оптического импульса.

Подтверждением технического результата заявляемого изобретения служит следующее экспериментальное исследование.

В эксперименте использовался преобразователь, сердцевиной которого служила пластина LiNbO₃ толщиной 40 мкм в форме трапеции с основаниями, равными 2,5 и 11,5 мм, и высотой 9,9 мм. Пластина была вклеена между двумя половинами усечённого конуса, изготовленного из высокоомного кремния. Преобразователь был протестирован на двух экспериментальных установках с лазерами разной длины волны (1,55 и 0,8 мкм). На фиг. 2 показаны зависимости эффективности преобразования от мощности накачки при сферической фокусировке линзой с фокусным расстоянием 5 см. В случае накачки волоконным осциллятором с длиной волны 1,55 мкм эффективность преобразования достигала 3×10^-5 (0,003%) при мощности накачки 250 мВт (фиг. 2а), а при накачке титан-сапфировым осциллятором с длиной волны 0,8 мкм эффективность достигала 4×10^-4 (0,04%) при мощности накачки 540 мВт (фиг. 2б). При схожих условиях эксперимента эффективность преобразования в заявляемом изобретении на порядок превышает эффективность 2,3×10^-5 (0,0023%), достигнутую при использовании прототипа (см. статью M.A. Kurnikov, N.A Abramovsky, A.I. Shugurov, S.B. Bodrov, and M.I. Bakunov, «Efficient Cherenkov-type optical-to-terahertz conversion of femtosecond oscillator pulses», Photonics, 2024, Vol. 11, P. 62).

Для установки с использованием волоконного лазера (длина волны 1,55 мкм) было измерено распределение энергии по поперечному сечению терагерцового пучка на выходе преобразователя (фиг. 3а), а также распределение энергии вдоль поперечной оси (параллельной ребру DD₁ на фиг. 1) на различных расстояниях от выхода преобразователя (фиг. 3б). Как видно из фиг. 3а, выходной терагерцовый пучок состоит из двух частей размерами 1 мм × 3 мм и 2 мм × 3 мм. Некоторое различие в размерах частей связано с тем, что толщина клеевого слоя между пластиной и одной половиной усечённого конуса составляла 1-2 мкм, а между пластиной и другой половиной усечённого конуса достигала 10 мкм. По фиг. 3б была определена угловая расходимость терагерцовых пучков, которая составила ~3,3°. Малый размер и небольшая угловая расходимость пучков говорят о хорошей коллимации терагерцового излучения.

На фиг. 4а представлена временная форма терагерцового импульса, а на фиг. 4б ее спектр. Как видно из фиг. 4б, ширина терагерцового спектра достигает 3,5 ТГц, а динамический диапазон составляет около 52 дБ (штриховой прямой показан уровень шума). В спектре не наблюдается каких-либо заметных провалов, есть лишь небольшая выемка на частоте 1,1 ТГц, связанная с переотражением терагерцового излучения в пластине LiNbO₃.

Таким образом, изложенное выше обоснование подтверждает улучшенные характеристики предлагаемого оптико-терагерцового преобразователя, по сравнению с прототипом, а именно более высокую эффективность преобразования и лучшее качество терагерцового пучка в случае сферической фокусировки оптического пучка накачки.

Изобретение относится к области генерации терагерцового излучения и касается преобразователя импульсов фемтосекундных лазерных осцилляторов ближнего инфракрасного диапазона в терагерцовое излучение. Преобразователь состоит из электрооптического кристалла LiNbO₃, представленного в виде тонкой плоскопараллельной пластины, и двух прикрепленных к пластине согласующих элементов, выполненных из прозрачного в терагерцовом диапазоне материала, для вывода излучения из кристалла в свободное пространство. Согласующие элементы выполнены в форме половин усечённого конуса, образующая которого наклонена к высоте под углом, обеспечивающим полное внутреннее отражение терагерцового излучения от боковых поверхностей половин усеченного конуса, последующее нормальное падение излучения на основания половин конуса и выход излучения в свободное пространство в виде коллимированного пучка. Технический результат заключается в увеличении эффективности генерации терагерцового излучения при сферической фокусировке оптического пучка накачки и обеспечении генерации коллимированного терагерцового пучка. 4 ил.

Преобразователь импульсов фемтосекундных лазерных осцилляторов ближнего инфракрасного диапазона в терагерцовое излучение, состоящий из электрооптического кристалла LiNbO₃, представленного в виде тонкой плоскопараллельной пластины, и двух прикрепленных к пластине согласующих элементов, выполненных из прозрачного в терагерцовом диапазоне материала, для вывода излучения из кристалла в свободное пространство, отличающийся тем, что согласующие элементы выполнены в форме половин усечённого конуса, образующая которого наклонена к высоте под углом такой величины, что обеспечивает полное внутреннее отражение терагерцового излучения от боковых поверхностей половин усеченного конуса, последующее нормальное падение излучения на основания половин конуса и выход излучения в свободное пространство в виде коллимированного пучка.