ОПТИКА И СПЕКТРОСКОПИЯ, 2009, том 107, № 4, с. 553-560
ФПО-2008,
ТЕРАГЕРЦОВАЯ ОПТИКА И СПЕКТРОСКОПИЯ
УДК 535.32/58
ГЕНЕРАЦИЯ И ДЕТЕКТИРОВАНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ ТЕРАГЕРЦОВОГО ДИАПАЗОНА С ПОМОЩЬЮ ПЕРИОДИЧЕСКИ И АПЕРИОДИЧЕСКИ ПОЛЯРИЗОВАННЫХ КРИСТАЛЛОВ
© 2009 г. Г. Х. Китаева, А. Н. Пенин, А. Н. Тучак
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, 119991 Москва, Россия
E-mail: gkitaeva@gmail.com Поступила в редакцию 12.05.2009 г.
Проанализированы нелинейно-оптические методы генерации и детектирования терагерцового излучения, базирующиеся на использовании периодически и апериодически поляризованных кристаллов в режиме квазисинхронизма. Рассмотрены два принципиально различных варианта оптической накачки — квазинепрерывный режим и накачка фурье-ограниченными импульсами фемто-секундной длительности. Получены общие соотношения, определяющие спектры генерируемых и детектируемых волн через параметры оптической накачки и нелинейные функции передачи кристалла-генератора и кристалла-детектора. Показано, что за счет выбора оптимальной пространственной модуляции нелинейной восприимчивости кристалла возможно управление формой спектров генерации и детектирования. Предложена оптическая схема и приведены оптимальные параметры доменных структур для квазисинхронной генерации и частотно согласованного квазисинхронного детектирования прямых и обратных терагерцовых волн в условиях квазинепрерывной оптической накачки.
PACS: 42.65.Ky
ВВЕДЕНИЕ
Проблемы генерации и детектирования электромагнитного излучения терагерцового диапазона 0.3—10 ТГц в последнее время привлекают растущий интерес исследователей из самых различных областей физики. С одной стороны, это объясняется уникальными перспективами применения терагерцового излучения в спектроскопии, неразрушающей диагностике биологических и медицинских объектов, системах связи и навигации [1, 2]. С другой стороны, освоение данного диапазона проходит достаточно медленно, энергетическая эффективность (КПД) действующих устройств по генерации и детектированию терагерцового излучения до сих пор не выше десятых долей процента [3]. Поиск новых схем, а также самих физических принципов функционирования приборов в этой области чрезвычайно актуален.
В последнее десятилетие активно развиваются методы, основанные на перекачке энергии из оптического в терагерцовый диапазон (при генерации) и обратно (при детектировании). Подобная перекачка реализуется в нелинейно-оптических параметрических процессах смешения частот, а также в оптически индуцированных процессах генерации носителей заряда, сопровождающихся последующим излучением терагерцовых волн ускоренными зарядами. В устройствах первой группы генерация терагерцового излучения про-
исходит за счет оптического выпрямления сверхкоротких лазерных импульсов фемтосекундной длительности [4], генерации разностной частоты под действием бигармонической накачки [5] или параметрической генерации в терагерцовом диапазоне [6]. К соответствующим схемам детектирования относятся схемы электрооптического стробирования терагерцовых импульсов в нелинейно-оптических кристаллах, допускающих фазовый синхронизм при преобразовании в широком диапазоне терагерцовых частот [4] (чаще всего, в кристаллах ZnTe). Наиболее известные устройства второй группы — полупроводниковые фотопроводящие антенны [7] и поверхностные излучатели [8], облучаемые фемтосекундными импульсами материалы с внутримолекулярным переносом заряда [9], фотоионизованные газы [10]. Достигнутые на сегодня лучшие эффективности преобразования энергии в обеих группах устройств примерно одинаковы, причем устройства первой группы, основанные на нерезонансном взаимодействии лазерного излучения с нелинейной средой, позволяют получать максимально мощные и направленные когерентные лучи тера-герцового диапазона. Рекордные значения энергетических коэффициентов перекачки оптической энергии в терагерцовый диапазон, равные 0.03—0.05%, достигнуты при оптическом выпрямлении лазерных импульсов с наклонными фронтами в объемных кристаллах ниобата лития [11], в
периодически поляризованных структурах на основе арсенида галлия [12], при генерации разностной частоты в кристалле фосфида германата свинца [13].
Основной проблемой, связанной с использованием нелинейно-оптических кристаллов, является необходимость фазового согласования оптических и терагерцовых волн. Точный фазовый синхронизм при коллинеарном взаимодействии требует равенства групповой скорости волн оптического диапазона и фазовой скорости волн терагерцового диапазона. Как правило, в естественных кристаллических средах это условие не выполняется, по крайней мере, в широком спектральном диапазоне. Расстройки фазового синхронизма слишком велики в известных средах с максимально высокой нелинейной восприимчивостью второго порядка. Различные схемы геометрии преобразования — типа "черенковской" [14], схемы выведения терагер-цового излучения через боковую поверхность кристалла [15], использования поверхностных волн при генерации разностной частоты [16] и т.д. основаны на неколлинеарных взаимодействиях. Использование периодически поляризованных кристаллов представляет собой конструктивный подход к решению вопроса фазового согласования коллинеарных оптических и терагерцовых волн [17]. Экспериментальные работы по квазисинхронной генерации узкополосных сигналов тера-герцового излучения уже проводились с кристаллами ниобата лития [18], арсенида [12, 19] и фосфида галлия [20]. Вместе с тем, помимо отдельных теоретических работ [21], проблемы экспериментальной реализации квазисинхронного детектирования пока еще в литературе не обсуждались.
В настоящей работе анализируются новые возможности использования квазисинхронных процессов в неоднородно поляризованных кристаллах, связанные не только с генерацией, но и с квазисинхронным детектированием терагерцовых волн. Будет показано, что за счет выбора оптимальной пространственной модуляции нелинейной восприимчивости кристалла возможно управление формой спектров генерации и детектирования. Проанализированы схемы терагерцо-вых спектрометров, работающих на прямых и обратных волнах, при накачке импульсами фемто-секундных и наносекундных длительностей.
КВАЗИСИНХРОННАЯ ГЕНЕРАЦИЯ НА ОСНОВЕ ОПТИЧЕСКОГО ВЫПРЯМЛЕНИЯ ФЕМТО-И НАНОСЕКУНДНЫХ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ
При облучении нелинейно-оптического кристалла оптическим лазерным излучением с шириной спектра, превышающей терагерцовую частоту, возможно появление терагерцового излучения
как на выходе из кристалла (генерация в "прямом" направлении), так и на входе в кристалл (генерация в "обратном" направлении). Излучение любой фиксированной терагерцовой частоты О появляется благодаря процессам параметрического вычитания частоты между всеми парами спектральных компонент накачки, которые отстоят друг от друга по частоте на величину О. Спектральное распределение амплитуд генерируемых терагерцовых волн в режиме слабого усиления и заданной накачки определяется [21] простым выражением:
2
A (О) = ^^Ц- e~a™L/4T(n) С(О), (1)
kTHz С
где kTHz = kTHz(0) — волновой вектор терагерцово-го излучения, aTHz — коэффициент поглощения, L — длина кристалла, Т(О) — функция нелинейной передачи кристалла, С(О) — фактор, зависящий от спектрального распределения амплитуды оптической накачки Ар(ю):
да
С(О) = JAp(ю)А*(ю - О)^ю. (2)
—да
При достаточно широком спектре фактора накачки С и небольшой дисперсии поглощения спектр терагерцового излучения определяется в первую очередь функцией нелинейной передачи кристалла (Т-функцией), которая напрямую зависит от условий согласования фаз взаимодействующих в кристалле волн. По определению, Т-функция представляет собой фурье-образ пространственного распределения квадратичной восприимчивости кристалла х(2) в пространстве расстроек волновых векторов Ak [21]. Именно эта функция непосредственно отражает влияние пространственного распределения квадратичной восприимчивости на спектральное распределение сигнальных волн в параметрических процессах вычитания и сложения частот. Например, в пространственно однородном кристалле, прозрачном на оптических и терагерцовых частотах,
Т(О) = х(2) sine (L A к/2). (3)
В периодически или апериодически поляризованных кристаллах, характеризующихся изменением квадратичной восприимчивости х(2) вдоль некоторого направления x,
да
Т(О) = £ Xmf(AkL + 2пm), (4)
m = —да
где Xm — комплексные амплитуды пространственных гармоник фурье-разложения
да
X (x) = £ Xme ,
m = —да
£/2
= 1 | х(2>(х)е-ы1пх/ь,
-1/2
а функции
1/2
л«-£
¿"'/1йж
-1/2
берутся от сдвинутых (на 2ят) безразмерных расстроек синхронизма АкЬ. Сами расстройки синхронизма при генерации в направлении распространения оптической накачки ("вперед") зависят от частоты как
Щ = П / мЕГ - (П), (5)
при генерации во встречном направлении ("назад") — как
Акъ = - П/и& - ктш(П), (6)
и& — групповая скорость оптических волн накачки в кристалле. В неоднородно поляризованном кристалле Т-функция имеет узкие максимумы на частотах, удовлетворяющих условиям фазового синхронизма Ак = 0 (при х0 = 0) и квазисинхронизма Ак = ±2пт/Ь (при %т Ф 0).
В общем случае спектр интенсивности генерируемых терагерцовых волн зависит от пересечения спектров накачки, поглощения и спектра Т-функции кристалла:
I(П)~ е~атн^/2|т(П)2|с(П)|2.
(7)
|С(П)|2 =
(I
(8)
рассчитывая квадрат модуля С-фактора согласно (2) как
да да
|С(П)|2 = | ||Л(ю'')| \Л(ю'')|\Л(ю' - П)|\Л(ю'' - П)| х
х ¿Ш»■) - <Р(®' ■) + <Р(®' ' - О) - <Р(®' - О)] (ю '(ю' '
и учитывая, что интеграл по ю' (или ю'') отличен от нуля только при ю' = ю'', получим
\с(П)|2 - (ю)I(ю - П)(ю.
(9)
Как правило, дисперсия поглощения в этих пределах несущественна. Согласно (2), спектр фактора накачки С может зависеть не только от спектра интенсивности импульсов накачки, но и от синхронизации фаз разночастотных компонент накачки. В частности, возможны два предельно различных случая.
1. Фемтосекундные фурье-ограниченные импульсы накачки. В этом случае благодаря самосогласованности фаз С-фактор волнового пакета
- г»г + 1к(»п)х
ЕР(Х, г) = Бр(г)е ° 0)
определяется неп
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.