2013: Генерация терагерцового излучения в периодически поляризованных кристаллах

Исследуя условия коллинеарной лазерной генерации терагерцового излучения в периодически поляризованных кристаллах, физики МГУ и тайваньского университета National Tsing Hua University впервые показали, что эффективность преобразования лазерной энергии в энергию терагерцовой волны может возрастать с ростом длины кристалла даже в условиях высоких потерь, связанных с поглощением терагерцового излучения. [Optics Express, 21(2), 2452 (2013), Laser Physics Letters, 10(5), 055404 ( 2013)].

Среди большого разнообразия методов, которые разрабатываются или уже применяются сегодня для генерации и детектирования излучения терагерцового диапазона частот (0.1-10 ТГц), нелинейно-оптические методы занимают лидирующие позиции. Эти методы неуклонно совершенствуются, делая терагерцовые спектроскопические установки доступными любой лаборатории, оснащенной промышленно выпускаемыми оптическими лазерами и фотоприемниками. При этом схемы генерации, основанные на параметрических процессах вычитания близко расположенных оптических частот, могут быть легко инвертированы в схемы детектирования терагерцовых волн. При нелинейно-оптическим детектировании частота терагерцового излучения смешивается с частотой лазерной накачки и преобразованное оптическое излучение измеряется обычным фотоприемником. Для осуществления всех этих процессов требуются среды с высоким нелинейно-оптическим откликом, как правило, квадратичным по полю.

Однако одного наличия высокой квадратичной восприимчивости среды мало. Необходимо фазовое согласование оптических и терагерцовых волн в среде. Для решения этой проблемы, как правило, используются схемы фазового синхронизма, при которых направления распространения оптических и терагерцовых волн не совпадают (методы импульсной накачки с наклонным фронтом, "Черенковские" схемы и др.). Тем не менее, в идеальных условиях прозрачной нелинейной среды только при сонаправленном (коллинеарном) распространении взаимодействующих волн возможен максимальный коэффициент оптико-терагерцового преобразования энергии, тем больший, чем длиннее среда. Поскольку скорости распространения терагерцовых и оптических волн, как правило, существенно различаются, для подобного распространения требуются кристаллические структуры с пространственной модуляцией знака нелинейной восприимчивости - периодически поляризованные кристаллы. В таких кристаллах реализуется режим квазисинхронизма, при котором нелинейная сверхрешетка помогает согласовать фазы терагерцовых и оптических волн. Чаще всего для этой цели создаются периодически поляризованные кристаллы ниобата лития (PPLN). Наиболее распространенным методом создания PPLN является метод переполяризации монокристаллического слоя во внешнем электрическом поле. Альтернативный подход - создание доменной структуры непосредственно в процессе роста кристалла в асимметричном тепловом поле. Благодаря большим поперечным размерам, для применений в условиях предельно мощной лазерной накачки более предпочтительны кристаллы, изготовленные по второй технологии, хорошо развитой на физическом факультете МГУ. Но точно контролировать толщину доменов в процессе роста сложно. В 2013 г. опубликована совместная работа [Laser Physics Letters, 10(5), 055404 ( 2013)] по прямому сравнению временных и спектральных характеристик излучения, генерируемого кристаллами двух типов, изготовленных в лабораториях МГУ и тайваньского университета National Tsing Hua University (NTHU). Сравнение показало, что нерегулярность не приводит к заметному изменению формы спектра и эффективности оптико-терагерцового преобразования.

Выбор квазисинхронизма позволяет организовать полностью коллинеарное взаимодействие на любой заданной частоте нелинейно-оптического преобразования при создании доменной сверхрешетки с требуемым периодом. Более того, создание апериодических кристаллов с контролируемым составом доменной структуры, в принципе, позволяет генерировать терагерцовое излучение с заранее заданным спектральным составом. Однако преимущества режима квазисинхронизма, связанные с возможностью существенного наращивания протяженности нелинейной среды для повышения эффективности оптико-терагерцовых взаимодействий, долгое время никак не исследовались. Причиной этому было общепринятое убеждение в том, что делать длину кристалла выше расстояния, на котором происходит затухание терагерцовых волн, неэффективно. Поскольку коэффициенты поглощения терагерцовых волн в кристаллах ниобата лития достаточно велики, это расстояние не превосходит 1-3 мм. Однако данное утверждение справедливо для нелинейного взаимодействия плоских волн и не учитывает особенностей дифракционного расплывания пучков, ограниченных в поперечном направлении. Опубликованные в 2013г. эксперименты [Optics Express, 21(2), 2452 (2013)] показали, что с ростом длины кристаллов PPLN до 1 см и выше на практике происходит неуклонный рост энергии терагерцового излучения, генерируемого в условиях бигармонической накачки лазерными импульсами наносекундной длительности. При этом теоретически было показано, что даже в пределе, когда потери на поглощение превышают параметрическое усиление волны, ее интенсивность может монотонно расти с ростом расстояния в нелинейной среде вплоть до достижения режима истощения накачки. Полученные результаты проливают свет на механизм коллинеарной нелинейно-оптической генерации и пути дальнейшего повышения эффективности нелинейно-оптического детектирования терагерцовых волн.