Письма в ЖЭТФ, том 88, вып. 12, с. 905-907
© 2008 г. 25 декабря
Перестраиваемый источник терагерцового излучения на основе генерации разностной частоты в кристалле ваР
В. Я. Алешкин1^, А. А. Антонов, С. В. Гапонов, А. А. Дубинов, 3. Ф. Красильник, К. Е. Кудрявцев, А. Г. Спиваков,
А. Н. Яблонский
Институт физики микроструктур РАН 603950 Нижний Новгород, Россия
Поступила в редакцию 17 ноября 2008 г.
На основе генерации разностной частоты в кристалле СаР создан перестраиваемый источник излучения терагерцового диапазона (1-4 ТГц) с шириной линии 12 ГГц. В качестве накачки было использовано излучение импульсного лазера Мс1:УАС, генерирующего излучение с длиной волны 1064 нм, и перестраиваемого параметрического генератора света. Излучение генерировалось импульсами с длительностью 10 не с частотой повторения 10 Гц. Мощность излучения в импульсе была около 15 мВт.
PACS: 42.70.Nq, 42.79.Nv
В настоящее время активно обсуждаются различные пути создания перестраиваемых узкополосных источников терагерцового излучения, работающих при комнатной температуре. Имеющиеся вакуумные источники, такие как лампа обратной волны, с трудом преодолевают частотный рубеж в 1ТГц, и их мощность быстро падает с ростом частоты в этом диапазоне [1]. Полупроводниковые квантовые каскадные лазеры в терагерцовом диапазоне работают только при криогенных температурах и не обладают возможностью существенной перестройки частоты [2]. Газовые лазеры, хотя и работают при комнатной температуре, также не способны заметно перестраивать длину волны излучения [3]. Источники терагерцового излучения, созданные на основе фемто-секундных лазеров, обладают чрезвычайно широким спектром излучения (порядка 1ТГц), что не всегда приемлемо для спектрометрических применений [4]. Источники терагерцового излучения на основе полупроводниковых лазерных диодов, работающие при комнатной температуре, были предложены в [5], но пока еще не реализованы. Генерация разностной частоты в терагерцовом диапазоне при использовании в качестве накачки параметрических генераторов света обеспечивает возможность получения достаточно узкополосного и перестраиваемого в широких пределах источника. Обычно в качестве нелинейного кристалла для этих целей используется ниобат лития 1л№>Оз [6]. Однако этот материал обладает довольно большим поглощением в терагерцовом диапазоне, обусловленном фононами, что снижает эффективность генерации разностной частоты [7].
^ e-mail: aleshkineipm.sci-nnov.ru
В настоящей работе мы вслед за работой [8] использовали в качестве нелинейного кристалла полупроводник ваР, который обладает рядом преимуществ по сравнению с ниобатом лития. Во-первых, в ваР при генерации разностной частоты в диапазоне 1-4 ТГц с накачкой излучением с длиной волны около 1000 нм фазовый синхронизм выполняется в почти коллинеарной геометрии пучков (направления распространения излучения накачки и разностной частоты почти совпадают). Это обстоятельство делает ненужным использование таких приспособлений, как кремниевые призмы, для вывода из кристалла терагерцового излучения. Во-вторых, фонон-ное поглощение излучения диапазона 1-4 ТГц в ваР существенно меньше, чем в ниобате лития. Поэтому использование полуизолирующих кристаллов (то есть без потерь на свободных носителях) ваР для генерации излучения в этом диапазоне предпочтительнее.
Природа оптической нелинейной восприимчивости второго порядка полярного полупроводника ваР -ангармоничность оптических колебаний решетки, поэтому имеется резонанс нелинейной восприимчивости при воздействии двух волн ближнего ИК диапазона большой амплитуды и разницей частот, лежащей в окрестности частоты поперечного оптического фонона. Зависимость тензора нелинейной диэлектрической проницаемости второго порядка от частот волн, воздействующих на среду, в ваР была рассмотрена в работе [9].
На рис.1 изображена принципиальная схема установки, которая использовалась для генерации излучения разностной частоты. В качестве излучения ближнего ИК диапазона для получения
906
В. Я. Алешкин, А. А. Антонов, С. В. Гапонов, А. А. Дубинов
\
THz radiation (1-4 THz)
Рис.1. Схема установки для генерации разностной частоты терагерцового диапазона
разностной гармоники использовались: основная гармоника импульсного лазера Nd:YAG (Quanta-Ray PRO-230-10, "Spectra-Physics"; длительность импульса ~ 10 нс, энергия в импульсе ~ 50мДж, длина волны 1064нм, ширина линии излучения -0.002 см-1) и излучение параметрического генератора света (optical parametric oscillator, ОРО) MOPO-SL ("Spectra-Physics") с оптической накачкой третьей гармоникой (355 нм) того же лазера Nd:YAG; длина волны 1048-1060 нм, энергия в импульсе ~ 20 мДж. Диаметр обоих пучков составлял ~8мм. Частота повторения импульсов составляла 10 Гц. Длина пути луча основной гармоники выбиралась таким образом, чтобы скомпенсировать временную задержку между импульсами ОРО и лазера накачки.
В качестве нелинейного кристалла для получения разностной гармоники использовался кристалл GaP размером 10x10x10 мм. Нормалями к граням куба являлись следующие кристаллографические направления [1,-1,0], [1,1,1], [1,1,-2]. Грани кристалла, имеющие кристаллографическое направление [1,-1,0], были отполированы для ввода и вывода излучения. Излучение основной гармоники и излучение ОРО заводились в кристалл через одну из полированных граней в направлении, перпендикулярном к ней. Для выполнения условий фазового синхронизма один из лучей отклонялся от нормали на небольшой угол, составлявший несколько десятков минут. Кристалл располагался в специальном держателе, который позволял вращать его в плоскости, перпендикулярной направлению распространения лазерного излучения, для получения максимального сигнала разностной гармоники.
Излучение терагерцового диапазона регистрировалось с помощью кремниевого болометра, охлаждаемого жидким гелием. Для записи спектра разностной гармоники использовался фурье-спектрометр Bruker
VERTEX80v, работающий в режиме "step-scan". Для поглощения рассеянного лазерного излучения использовалась германиевая пластина.
В ходе эксперимента были записаны спектры основной гармоники лазерного излучения и линии ОРО (см. рис.2). Для этого использовался фурье-
3.5 3.0 Ш 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0
v—✓
I
со
1064 nm pump laser
FWHM < 0.2 cm"1 -(limited by spectrometer resolution)
1054 nm OPO beam
FWHM ~ 0.4 cm
-l
1054
1054.0 ГЙб4 1064.5
Wavelength (nm)
Рис.2, и ОРО
Спектры излучения Nd:YAG-na3epa (левый пик) (правый пик)
спектрометр, а сигнал регистрировался с помощью штатного детектора видимого диапазона на основе кремниевого фотодиода. Ширина линии ОРО в диапазоне 1048-1060 нм составила 0.4 см-1 и линии генерации Ш:УАС-лазера - 0.002 см-1.
Полученное излучение терагерцового диапазона представляло собой узкую линию (см. рис.3), положение которой с хорошей точностью совпадало с раз-
1.2 1.0
СЛ |
1 0.6
1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 1
FWHM
~ 0.4 cm 1 (~12 GHz)
96 1
2.0 2.02 2.04
й
ад
0.2
0 ^WV
1.0
iAsa
1.5 2.0 2.5 Frequency (THz)
3.0
3.5
Рис.3. Спектры генерации излучения на разностной частоте. Длина волны Nd:YAG-лaзepa - 1064 нм, длина волны ОРО: 1 - 1058, 2 - 1056, 3 - 1054, 4 - 1052 нм. На вставке изображен спектр линии генерации терагерцового излучения в окрестности 2ТГц, измеренный с разрешением 0.2 см-1
3
Перестраиваемый источник терагерцового излучения
907
ностью энергий фотонов излучения ОРО и основной гармоники лазера. Перестройка длины волны разностной гармоники осуществлялась изменением длины волны ОРО и одновременной подстройкой угла между лучами ОРО и основной гармоники лазера накачки. Диапазон перестройки терагерцового излучения составил 1-4ТГц, что соответствует диапазону перестройки ОРО 1060-1048 нм. Максимальная мощность разностной гармоники наблюдалась на частоте 2.7 ТГц при значении длины волны ОРО 1054 нм. Мощность излучения разностной частоты в импульсе по оценкам составляет порядка 15 мВт. Из рис.3 видно, что ширина линии разностной гармоники составила 0.4см-1 (см. вставку), что практически совпадает с шириной линии излучения ОРО, откуда можно заключить, что ширина линии генерации на разностной частоте определяется спектральной шириной линии излучения ОРО. Отметим, что использованный кристалл ваР был не полуизолирующим, а слаболегированным, что существенно уменьшило эффективность генерации разностной частоты из-за поглощения на свободных носителях.
Максимум на зависимости терагерцового излучения от частоты в области 2.7 ТГц обусловлен минимумом поглощения излучения на разностной частоте в кристалле ваР. При уменьшении частоты ниже 2.7ТГц потери, связанные с поглощением на свободных носителях, растут. С увеличением частоты выше 2.7 ТГц рост потерь обусловлен частотной зависимостью поглощения на оптических колебаниях решетки ваР. Кроме того, из-за геометрии эксперимента выход из кристалла излучения с частотой больше 5 ТГц невозможен, так как оно распространяется в кристалле под углом, большим угла полного внутреннего отражения.
Таким образом, получена параметрическая генерация терагерцового излучения и измерены его спектральные характеристики, позволяющие констатировать создание импульсного генератора, непрерывно перестраиваемого в диапазоне 1-4 ТГц и шириной линии излучения 12 ГГц, длительностью импульса 10 нс, частотой повторения 10 Гц, мощностью излучения в импульсе 15 мВт.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты # 07-02-12177-офи, # 08-02-97034-р-поволжье), программы президиума РАН "Электромагнитные волны терагерцового диапазона", Программы РАН "Когерентное оптическое излучение полупроводниковых соединений и структур", Президента РФ (# МК-3344.2007.2), госконтракта Минобрнауки #02.518.11.7031.
1. D. Van der Weide, Optics & Photonics News. 14 (4), 48
(2003).
2. J. A. Fan, M.A. Belkin, F. Capasso et al., Appl. Phys. Lett. 92, 021122 (2008).
3. О. Звелто, Принципы лазеров, M.: Мир, 1990.
4. M. Nagai and K. Tanaka, Appl. Phys. Lett. 85, 3974
(2004).
5. В. Я. Алешкин, А. А. Афоненко, А. А. Дубинов, ЖТФ 76 (9), 98 (2006).
6
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.