Генерация терагерцового излучения в кристаллах с пространственно-неоднородным распределением нелинейно-оптической восприимчивости Тучак, Антон Николаевич

Содержание к диссертации

Введение

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 (квазинепрерывная накачка) 28

1.4 Управление спектральными характеристиками квазисинхронных 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 терагерцового 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 терагерцового излучения в геометрии 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 квазисинхронных кристаллов-генераторов терагерцового излучения 82

3.4 Экспериментальное исследование поляризованных кристаллов ниобата лития методом накачки-зондирования 86

3.5 Заключение по Главе 3 94

Глава 4 Генерация квазинепрерывного излучения терагерцового 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 ZnTe 111

4.4 Генерация терагерцового излучения в периодически поляризованных кристаллах Mg:Y:LiNb03 и ЫЗЧЬОз 115

4.5 Заключение по Главе 4 120

Заключение 121

• Управление спектральными характеристиками квазисинхронных генераторов и детекторов за счет нелинейной функции передачи кристалла или спектра оптической накачки
• Исследование периодически и апериодически поляризованных кристаллов ниобата лития для генерации терагерцового излучения в геометрии
• Экспериментальное исследование поляризованных кристаллов ниобата лития методом накачки-зондирования
• Экспериментальная установка для генерации квазинепрерывного терагерцового излучения методом оптического выпрямления

Введение к работе

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

К настоящему моменту нелинейно-оптические методы генерации те- рагерцового излучения находятся в ряду наиболее эффективных среди методов, разработанных и готовых к применению. Рекордные значения эффективности оптико-терагерцового преобразования обеспечивает метод, основанный на параметрической генерации разностных частот спектральных компонент фемтосекундных лазерных импульсов. Этот метод в применении к генерации излучения терагерцовых частот в литературе получил название "метод оптического выпрямления" (ОВ). С 2000 года известны работы по генерации терагерцового излучения методом ОВ в периодически поляризованных кристаллах ниобата лития. В кристаллах этого типа периодически меняется знак квадратичной восприимчивости х⁽²⁾ на границах доменов благодаря развороту кристаллографических осей. За счет регулярной доменной структуры (РДС) удается скомпенсировать расстройку фазового синхронизма оптических и терагерцовых волн. В кристаллах такого типа была продемонстрирована генерация узкополосного терагер- цового излучения с высокой спектральной плотностью мощности. Однако этим принципиально не исчерпываются возможности, открывающиеся при генерации терагерцового излучения методом ОВ в кристаллах с пространственной модуляцией х⁽²⁾. Из общей теории квазисинхронных нелинейно- оптических преобразований следует, что за счет создания апериодической пространственной модуляции квадратичной восприимчивости х⁽²⁾ возможно изменять спектральные свойства генерируемого излучения в широких пределах. Диссертационная работа посвящена экспериментальному изучению условий реализации этих возможностей.

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

До сих пор предполагалось, что для реализации ОВ необходимы сложные фемтосекундные установки. В данной работе метод оптического выпрямления был применен для получения терагерцового излучения при накачке кристалла-генератора широкополосными импульсами наносе- кундной длительности. При этом были получены эффективности преобразования сравнимые с эффективностями других методов, работающих в том же диапазоне мощностей. Таким образом, сделан первый шаг к созданию терагерцовых источников с использованием более простых и компактных лазеров. При этом также удалось сохранить преимущество метода ОВ, связанное с возможностью управления спектром терагерцового излучения за счет изменений распределения х в кристалле.

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

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

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

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

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

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

На основании этого были сформулированы следующие задачи диссертационной работы:

Новизна диссертационной работы заключается в следующих положениях:

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

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

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

   Научная и практическая значимость диссертации:

   Положения, выносимые на защиту:

   3. 3. 1. Использование кристаллов с пространственной модуляцией нелинейно-оптической восприимчивости позволяет получать терагерцовое излучение с заданным спектральным составом при генерации методом оптического выпрямления Фурье-ограниченных фем- тосекундных импульсов и широкополосных Фурье-неограниченных импульсов наносекундной длительности.

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

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

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

         Обоснованность и достоверность результатов определяется исполь

         Апробация работы

         Результаты работы прошли апробацию на следующих международных и российских конференциях:

         3. 3. 4. 1. Международная конференция "Оптика - 2009", Санкт-Петербург, Россия (2009).

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

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

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

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

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

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

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

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

                  Публикации

                  Личный вклад автора

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

                  Структура и объём диссертационной работы

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

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

                  Как было показано выше, спектральные характеристики терагер-цовых генераторов и детекторов определяются С-фактором накачки и Т-функцией кристалла. С-факторы бывают двух видов: широкополосные и узкополосные.

                  Узкополосные С-факторы обладают четко выраженным максимумом. Примером может служить случай бигармонической накачки, состоящей из двух монохроматических или квазимонохроматических спектральных линий, разнесенных на терагерцовую частоту. Ширина линий может достигать 100 кГц. При этом, если такое излучение направить в среду, в которой условия фазового синхронизма выполняются в более широком диапазоне, на выходе появится терагерцовое излучение с частотой, равной разнице частот этих двух компонент. Таким образом, изменяя частотный сдвиг между частотными компонентами можно управлять спектром генерации.

                  Широкополосный С-фактор - нет четко выраженного максимума, спектр имеет практически независящее от терагерцовой частоты распределение. Примерами излучения, обладающего таким С-фактором, служит излучение литий-фторового лазера на центрах окраски (рис. 1.1) или фемтосекундные импульсы (рис. 1.2). При попадании такого излучения в среду, в которой условия фазового синхронизма выполняются в широком диапазоне терагерцовых частот, на выходе из среды появляется широкополосное терагерцовое излучение. Обычно ширина максимума Т-функции уже и спектр выходного излучения в основном определяется Т-функцией среды. Например, спектр С-фактора фемтосекундного импульса длительностью 150 фс (см. рис. 1.2) имеет почти постоянное значение С(О) на частотах до 5 ТГц. Если при этом взять в качестве детектора или генератора кристалл ZnTe толщиной 1 мм, спектр отклика будет ограничен на частоте 2.5 ТГц, которая определяется исключительно свойствами Т-функции кристалла. Вид Т-функции кристалла теллу-рида цинка для различных толщин кристалла и различных длин волн накачки представлен на рис. 1.3.

                  В принципе, изменяя спектр С-фактора накачки, можно получать как узкополосное излучение, так и излучение с достаточно широким спектром. Однако, из приведенных выше примеров видно, что при помощи накачки сложно управлять тонкими спектральными свойствами генераторов или детекторов. Более того, спектральные свойства накачки при использовании обычно жестко заданы и их сложно изменить. В связи с этим, изменение спектральных свойств при помощи Т-функции при заданном широкополосном С-факторе имеет большое практическое значение.

                  Достаточно тонкое и легко варьируемое управление спектральными характеристиками можно проводить при помощи изменения распределения квадратичной восприимчивости в кристалле, т.е. путем изменения Т-функции. В диссертационной работе в качестве среды с модуляцией квадратичной восприимчивости рассматриваются периодически поляризованные кристаллы ниобата лития. Согласно (1.11) и (1.12) Т-функция определяется распределением пространственных гармоник квадратичной восприимчивости Хт и оптическими свойствами среды на взаимодействующих частотах через [(А + 2тгт). Оптические свойства среды можно изменять в достаточно узких пределах, варьируя температуру и ориентацию кристалла. Во многих случаях необходимо менять только пространственные гармоники Хт- Для удобства расчета (1.2) можно представить в виде [28]: где N - число доменов в кристалле, d-ui - толщина j-того или 1-того домена. Зная распределение толщин доменов в кристалле и используя выражение (1.36), можно расчитать распределение пространственных Фурье-гармоник и затем, используя (1.11)-(1.12), получить распределение для Т-функции.

                  На спектре Т-функции идеально периодически поляризованного кристалла ниобата лития имеется несколько пиков, соответствующих нечетным порядкам квазисинхронизма (рис. 1.4). В реальных кристаллах скважность доменной структуры4 может отличаться от 1, что приводит к появлению четных порядков синхронизма (рис. 1.4), но эффективность синхронизма первого порядка при этом ослабевает. В случае апериодического распределения квадратичной восприимчивости спектр Т-функции может принимать более сложный вид, связанный с неоднородным уширением Т-функции5. Например, вид Т-функции мультичастотного кристалла-генератора, исследовавшегося в третьей главе, представлен на рис. 1.5.

                  Исследование периодически и апериодически поляризованных кристаллов ниобата лития для генерации терагерцового излучения в геометрии

                  Как было сказано ранее, Т-функция является универсальной характеристикой описания оптических свойств среды в нелинейном процессе. Этим свойством Т-функции можно воспользоваться для определения спектрального отклика кристаллов-генераторов в терагерцовом диапазоне и качества (регулярности) доменной структуры кристаллов по спектрам СПР, полученным в видимой области спектра.

                  Для генерации терагерцового излучения в кристаллах ниобата лития используется компонента тензора Xzzz, имеющая максимальное значение. Данную компоненту можно задействовать, если все три участвующие в нелинейном взаимодействии волны имеют необыкновенную поляризацию. Для характеризации кристаллов-генераторов использовалась установка, описанная выше. Призмы Глана установлены параллельно. Параллельная комбинация призм Глана используется для того, чтобы на пространственное распределение интенсивности I(UJS,OS) сигнальной волны в геометрии рассеяния еее не накладывалось распределение сигнального излучения для случая, когда накачка кристалла необыкновенная, а сигнал - обыкновенно поляризован (рассеяние в геометрии оое). Образцы, исследованные методом СПР на нижней поляритонной ветви, представлены в таблице 2.2.

                  Как было сказано ранее, вклад в ширину Т-функции дают однородное и неоднородное уширения. Однородное уширение зависит от длины кристалла и коэффициента поглощения на терагерцовой частоте и не зависит от распределения квадратичной восприимчивости в кристалле. Неоднородное уширение зависит от неоднородности в распределении периодов доменной структуры: чем больше неоднородность распределения, тем больше будет неоднородное уширение линии и тем меньше будет амплитуда Т-функции. Данное обстоятельство позволяет производить сравнение эффективности доменных структур в нелинейном процессе, сравнивая интенсивности сигналов СПР, полученных от различных доменных структур. Примеры спектров СПР, полученные в геометрии еее, представлены на рис. 2.5 и 2.6. Условия получения данных спектров были одинаковы, вследствие чего по отношению сигнал-шум на частотно угловых спектрах можно судить о качестве доменной структуры. На рис. 2.5 соотношение сигнал/шум низкое и перестроечная кривая3 при кол-линеарном рассеянии имеет значительную ширину, что говорит о том, что регулярность доменной структуры низкая. В свою очередь, низкая регулярность доменной структуры будет приводить к низкой эффективности преобразования из оптического диапазона в терагерцовый при использовании кристалла в качестве терагерцового генератора. Сравнение соотношений С/Ш для различных доменных структур вместо сравнения интенсивностей сигналов позволяет исключить из рассмотрения шумовые оптические сигналы, связанные с неодинаковой оптической однородностью различных участков кристалла. В диссертационной работе методом СПР на нижней поляритонной ветви были исследованы различные части доменной структуры четырех кристаллов ниобата лития, изготовленных методом Чохральского в ассиметричном тепловом поле. Частотно-угловые спектры приведены на рис. 2.9, 2.10, 2.11, 2.12 (Цветные спектры использованы для большего контраста, спектры в градациях серого адекватно передают значение интенсивности сигнала). Сравнением соотношений С/Ш определены наиболее удачные участки доменной структуры, данные приведены в таблице 2.3.

                  Сказанное выше справедливо для случая, когда для накачки кристалла-генератора и для СПР-характеризации используется излучение с одной и той же длиной волны. Однако выполнение данного условия не всегда возможно. Тем не менее, описание нелинейного процесса в терминах Т-функции достаточно универсально, так как Т-функция зависит только от расстройки волновых векторов. Для характеризации можно использовать лазер с другой длиной волны, а затем осуществлять перерасчет. В данном случае процедура получения спектрального отклика имеет следующий вид. Сначала берется срез частотно-углового спектра I(cjs,es) при #5 = 0, затем полученные значения делятся на коэффициент, стоящий перед Т-функцией в выражении (2.4). Получившаяся зависимость представляет собой функцию T(A(UJS)), зависящую от частоты сигнального излучения. Для вычисления терагерцового отклика необходима зависимость T(A(QTHZ)) как функции от терагер-цовой частоты. Эти две зависимости связаны между собой через безразмерную расстройку выражением А = A(Q,THZ,US). ДЛЯ нахождения искомой зависимости T(A(QTHZ)) необходимо пересчитать зависимость A(cus) в А(Птнг)- Это можно сделать, воспользовавшись соотношением (jop-us + ijOi и данными о дисперсии показателей преломления.

                  С использованием данной методики по спектрам СПР на нижней поляритонной ветви были измерены Т-функции образцов 1 и 5, а затем рассчитаны спектральные отклики при использовании их в качестве генераторов терагерцового излучения. Образец 1 имел сильную апериодичность доменной структуры и связанное с этим неоднородное уширение Т-функции (рис. 2.14), однородное уширение влияло в меньшей степени. Образец 5 обладал высокой стабильностью периода РДС и основной вклад в ширину линии вносило однородное уширение. При данных расчетах было учтено как неоднородное, так и однородное уширение Т-функции. На рис. 2.15 представлен спектральный отклик образца 1 с учетом только однородного уширения (данные из литературы) и с учетом однородного и неоднородного уширений (результат диссертационной работы). На рис. 2.16 представлено сравнение спектрального отклика рассчитанного по методике описанной в работе и измеренного прямым способом, методом терагерцовой спектроскопии временного разрешения. Таким образом, по спектрам СПР на нижней поляритонной ветви удалось оценить качество доменных структур кристаллов, изготовленных по послеростовои технологии. Также были определены спектральные отклики в терагерцовом диапазоне двух образцов с учетом однородного и неоднородного уширений и проведено сравнение с другими методами.

                  Экспериментальное исследование поляризованных кристаллов ниобата лития методом накачки-зондирования

                  В методе накачки-зондирования для получения спектрального отклика кристалла не требуется информация о показателях преломления кристалла. Тем не менее, при наличии дисперсионных данных оказывается возможной характеризация нарушений регулярности распределения квадратичной восприимчивости кристалла. Другим преимуществом данного метода по сравнению с ТСВР является то, что сам кристалл является одновременно и генератором, и детектором излучения, что устраняет необходимость совмещения частотных полос генераторов и детекторов и позволяет избежать наложения на спектр линий поглощения воды. Те-рагерцовое излучение рождается в кристалле и в нем же детектируется. В связи с этим, при генерации и детектировании в нелинейном процессе участвуют одни и те же показатели преломления и обратные вектора сверхрешетки.

                  Рассмотрим процесс генерации и детектирования в нелинейном кристалле более подробно. Пусть на нелинейную среду падают два импульса. Импульс большей мощности будем называть импульсом накачки, импульс меньшей мощности - зондирующим. Импульс накачки генерирует в среде терагерцовое излучение за счет процесса оптического выпрямления. Причем могут рождаться как прямые, так и обратные волны, спектральные характеристики которых описываются выражениями (1.16) и (1.15). Далее зондирующий импульс, распространяясь в кристалле и взаимодействуя с терагерцовым импульсом, изменяет свою энергию. Величина изменения энергии и ее знак зависят от фазы терагерцовой волны. В соответствии со сказанным в предыдущем параграфе, сканируя зависимость добавки к энергии зондирующего импульса от задержки между ним и терагерцовым импульсом, можно измерить временную форму изменения поля генерируемого излучения. Распределение спектральной плотности можно получить при помощи Фурье-преобразования от временной формы.

                  Таким образом, измеряя изменение интенсивности зондирующего импульса, можно определить терагерцовый спектральный отклик кристалла. Причем одновременно измеряется отклик для терагерцовых волн, генерирующихся в прямом и обратном направлениях.

                  В качестве исследуемого образца использовался кристалл ниоба-та лития с концентрацией ионов магния 5 молярных % , изготовленный методом послеростовой переполяризации электрическим полем и обладающий дефектами доменной структуры. Длина кристалла 1 мм, заявленный период РДС d = 30 мкм. Пучки накачки и зондирующий имели поляризацию, параллельную оси z кристалла, в результате чего "работала" компонента тензора нелинейной восприимчивости Xzzz, имеющая наибольшее значение. Для данного периода РДС условия синхронизма выполняются для прямой волны на частоте 3.2 ТГц и для обратной волны на частоте 1.37 ТГц. Зависимости пропускания зондирующего импульса от величины задержки при различных мощностях лазера представлены на рис. 3.10. Спектр генерации кристалла был получен путем взятия Фурье-преобразования от временной формы. Зависимость спектральной плотности генерации от частоты приведена на рис. 3.12. Помимо ожидаемых частот 3.2 ТГц и 1.37 ТГц на спектре присутствуют другие частоты, связанные с неидеальностью доменной структуры. При помощи вейвлет-преобразования были выявлены участки с нарушением периодичности. На рис. 3.11 представлена зависимость эффективности генерации различных частот от величины задержки (участка кристалла)1. В дальнейшем это позволило теоретически рассчитать спектр генерации кристалла и сравнить его с экспериментальным (рис. 3.12). Отличия между теорией и экспериментом можно объяснить неточностью в определении показателей преломления и поглощения на терагерцовых частотах. Для тео ретического расчета использовались данные о показателях преломления и поглощения, представленные в работах [57; 58].

                  Однако, ни в одной из работ не было приведено значений, покрывающих весь необходимый диапазон от 0.5 до 4 ТГц. Также значения отличаются не только на постоянную величину, но и имеются существенные отличия в значении производных на малых частотах (ниже 2 ТГц) и на частотах, близких к фононным колебаниям (выше 2.5 ТГц). На приведенной на рис. 3.12 теоретической зависимости данные факторы сказывается в виде:

                  максимумы на частотах 2.7 и 3.2 ТГц сопоставимы. Однако ширина расчетных максимумов завышена, что связано с тем, что используемая модель для коэффициента поглощения давала завышенный результат на высоких частотах;

                  максимумы на частотах 0.6 и 1.35 совпадают по частоте, но поглощение занижено, что приводит к тому, что они получились выше и уже экспериментальных;

                  Таким образом, анализ временных зависимостей в методе накачки-зондирования позволяет диагностировать дефекты доменной структуры. Применение подхода Т-функции позволяет описать спектральный отклик кристалла с регулярной доменной структурой, полученный в эксперименте.

                  Экспериментальная установка для генерации квазинепрерывного терагерцового излучения методом оптического выпрямления

                  Для экспериментальной реализации метода оптического выпрямления наносекундных широкополосных импульсов была собрана установка, схема которой представлена на рис. 4.1. Терагерцовое излучение на выходе из кристалла-генератора можно считать квазинепрерывным, поскольку длительность импульса терагерцового излучения на два порядка больше периода колебания терагерцовой частоты. Так, период терагерцового колебания с частотой 1.5 ТГц составляет 670 фс. Длительность импульса терагерцового излучения в эксперименте составляла 25 не (временные зависимости различных терагерцовых импульсов представлены на рис. 4.4 и 4.5). Таким образом, отношение длительности импульса к периоду терагерцового колебания составляла величину 4- 104.

                  Экспериментальная установка, схема которой приведена на рис. 4.1, состояла из источника широкополосного лазерного излучения (LiF-лазер) и нелинейной среды (кристаллы теллурида цинка и ниобата лития), в которой происходит процесс оптического выпрямления. Твердотельный YAG:Nd лазер с энергией в импульсе 50 мДж, длительностью 40 не и частотой повторения 10 Гц использовался в качестве накачки для активной среды широкополосного лазера. В качестве активной среды лазера, обеспечивающего широкополосную генерацию, выступает кристалл LiF с F-центрами окраски (LiF.-F ). Данная среда позволяет получать излучение в диапазоне длин волн от 1.1 до 1.2 мкм (рис. 4.2). Спектр выходного излучения, использовавшийся для генерации терагер-цового излучения, представлен на рис. 4.3. Резонатор лазера состоял из двух плоских зеркал. Входное зеркало имело высокое пропускание (80 %) на длине волны лазера накачки 1.064 мкм и высокое отражение (95-99 %) в диапазоне генерации лазера. Выходное зеркало имело пропускание 60 % в области генерации. Устойчивость резонатора с плоскими зеркалами достигается за счет наведения тепловой линзы в активном элементе. Дисперсионные элементы внутри резонатора отсутствуют, вследствие чего на выходе из резонатора одновременно присутствуют все частотные компоненты, для которых преодолен порог генерации. Ширина спектра генерации составляет 20 нм ( рис. 4.3). Поскольку синхронизация мод в резонаторе отсутствовала, импульс на выходе имел длительность около 25 не (в принципе, синхронизацией мод можно было добиться длительности порядка нескольких сотен фемтосекунд [80; 81]). Вследствие того, что ТРВ импульса 104 5, импульс не является Фурье-ограниченным. Это означает, что фазы различных частотных компонент импульса нельзя считать одинаковыми. Данное обстоятельство являлось основным отличием данного метода квазинепрерывной генерации от метода выпрямления фемтосекундных импульсов. Энергия в импульсе на выходе из резонатора LiF-лазера составляла 0.5 - 0.8 мДж.

                  Излучение после выходного зеркала LiF-лазера фокусировалось при помощи линзы (Л) с фокусным расстоянием 50 см в кристалл-генератор (К). Небольшая часть излучения отражалась при помощи светоделителя (СД) на фотодиод (ФД). Калиброванный фотодиод использовался для измерения пиковой мощности падающего на кристалл генератор излучения. Жесткость фокусировки была одинакова для всех типов кристаллов (Mg:Y:PPLN, PPLN, ZnTe). Поскольку более жесткая фокусировка могла привести к пробою кристалла ZnTe, она не применялась. Неизменная для всех кристаллов фокусировка позволяла обеспечить возможность сравнения эффективностей генерации различных кристаллов. Однако, из-за постоянства жесткости фокусировки возможности кристаллов ниобата лития и, тем более, ниобата лития, легированного магнием (обладающего большим по сравнению с легированным ниобатом лития порогом оптического повреждения), не были полностью реализованы.

                  Генерация терагерцового излучения происходила за счет процесса оптического выпрямления. Излучение на выходе из кристалла-генератора имеет достаточно большую угловую дифракционную расходимость (10-35 ), зависящую также от жесткости фокусировки излучения накачки. Для сбора всего расходящегося из кристалла излучения используется параболическое зеркало (ПЗ) с фокусным расстоянием 5 см, которое преобразует расходящееся излучение в параллельный пучок. Далее колли-мированное излучение при помощи тефлоновой линзы (ТЛ) с фокусным расстоянием 25 см собирается на вход НЕВ болометра (Б). Фильтр (Ф) использовался для предотвращения попадания оптического излучения в болометр и для контролируемого ослабления терагерцового излучения.

                  Используемый для регистрации терагерцового излучения болометр представлял собой структуру, охлаждаемую до температуры жидкого Не и находящуюся в сверхпроводящем состоянии. При попадании терагерцового излучения часть структуры переходит из сверхпроводящего состояния в обычное, что фиксируется электронной схемой прибора [82]. Данный тип болометров обладает высокой чувствительностью по энергии и широким динамическим диапазоном. Однако в нашем случае на болометр поступали импульсы с малой энергией и высокой интенсивностыо. Каждый из этих импульсов мог перевести болометр в состояние насыщения вследствие высокого значения импульсной напряженности поля. Это обстоятельство значительно сужало динамический диапазон болометра. Поэтому для обеспечения адекватной регистрации терагерцового излучения, излучение ослаблялось при помощи калиброванных терагерцовых фильтров, изготовленных из полиэтилена высокой плотности5. Сильное уменьшение динамического диапазона приводило также к тому, что увеличивался относительный вклад (до 0.05-0.1 В) напряжения шумового сигнала с болометра. Указанные обстоятельства приводили к ограничению отношения сигнал-шум до величины порядка 10-20. Другим источником погрешности была неодинаковая форма импульсов сигнала с болометра, см. рис. 4.4 и 4.5. Иногда форма импульса с болометра имела вместо одного четко выраженного максимума несколько пиков (рис. 4.5). Данное обстоятельство вносило погрешность при вычислении пиковой мощности терагерцового излучения, так как при вычислении использовалось предположение о неизменности формы и длительности импульса.

                  Низкая частота повторения лазера не позволяла использовать синхронный детектор для восстановления сигнала из шума. Таким образом, несмотря на то, что используемый болометр обладал быстрым откликом и высокой чувствительностью по энергии по сравнению с классическими болометрами, полностью реализовать его преимущества вследствие импульсного режима работы не представилось возможным.

                  Необходимо также отметить, что еще одним недостатком терагерцовых измерителей мощности в настоящее время является плохая калибровка, вследствие чего различные приборы могут давать результаты, различающиеся в несколько раз. Данный болометр был откалиброван следующим образом. Мощность терагерцового излучения от лазера на парах воды с частотой 2.5 ТГц измерялась при помощи ячейки Голея. Затем на вход болометра подавалось терагерцовое излучение. Излучение модулировалось при помощи механического прерывателя на частоте 100 кГц. Сигнал с болометра измерялся синхронным детектором. На основе этих данных вычислялась вольт-ваттная характеристика болометра.

                  Электронная система регистрации состояла из цифрового осциллографа с полосой пропускания 200 МГц и компьютера с системой сбора и обработки данных LabView. Развертка осциллографа запускалась при помощи стробирующего импульса с лазера. При этом одновременно измерялись профиль терагерцового сигнала с выхода болометра и амплитуда импульса накачки кристалла-генератора. Предварительно измеренная вольт-ваттная характеристика фотодетектора мощности (фотодиод, измеряющий мощность лазера) использовалась для дальнейшего определения пиковой мощности импульса накачки. Написанная на языке системы сбора и обработки данных LabView программа считывала временные зависимости сигналов с фотодетектора мощности и болометра, а затем записывала пиковые значения в файл. Поскольку энергия в импульсе немного флуктуировала, то при неизменной средней мощности интенсивность лазерного излучения, падающего на кристалл-генератор, изменялась от импульса к импульсу. За счет этого происходило небольшое варьирование интенсивности, используемое в дальнейшем для анализа зависимости интенсивности терагерцового излучения от мощности оптической накачки. За счет введения фильтров осуществлялось изменение интенсивности в больших пределах. В эксперименте делалась выборка из 100-1000 импульсов, в течение которой интенсивность накачки терагерцового генератора меняется в необходимых пределах при помощи описанных выше способов. Результат эксперимента выглядит как совокупность точек на плоскости, где по одной оси координат - максимальная интенсивность в импульсе терагерцового излучения (или напряжение сигнала с болометра), а по другой отложена энергия импульса излучения накачки. Далее полученные значения интенсивности терагерцового излучения при фиксированной энергии накачки усреднялись и определялась дисперсия этих значений.

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

                  

                  Генерация параметрического рентгеновского излучения умеренно релятивистскими заряженными частицамиГоголев Алексей Сергеевич

                  

                  Детекторы рентгеновского и аннигиляционного излучения на кристаллах LSOЗо Тхет

                  

                  Разработка и применение экспериментальных методов исследования магнитных свойств кристаллов с помощью дифракции резонансного гамма-излучения Саркисов Эдуард Рубенович

                  Использование мозаичных кристаллов для генерации рентгеновского излучения и его регистрацииЖандармов, Юрий Валерьевич

                  

                  Генерация рентгеновского излучения при взаимодействии быстрых электронов с мозаичными кристалламиШатохин Роман Александрович

                  Генерация и детектирование терагерцового излучения при накачке периодически поляризованных кристаллов фемтосекундными лазерными импульсамиКовалев, Сергей Павлович

                  

                  Генерация второй гармоники лазерного излучения в однородных нелинейных и периодически-нелинейных кристаллах с учетом термооптических искаженийЮрьев Юрий Вячеславич

                  

                  Аксиальное распределение интенсивности люминесценции и рассеяния возбуждающего излучения в кубических кристаллах с наведенной анизотропией Дресвянский Владимир Петрович

                  Спиновая восприимчивость и распределение заряда в неэквивалентных медь-кислородных плоскостях сверхпроводника Tl2 Ba2 Ca2 Cu3O10-Пискунов, Юрий Владимирович

                  Динамика генерации излучения в полупроводниковых инжекционных лазерахАфоненко, Александр Анатольевич