Исследование новых схем генерации и детектирования терагерцового излучения, основанных на взаимодействии фемтосекундных лазерных импульсов с твердотельными и газовыми средами

• Автор: Иляков, Игорь Евгеньевич
• Шифр специальности: 01.04.21
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2015
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 123 с. : ил.

Введение
Содержание

Глава 1. Оптические методы генерации и регистрации терагерцовых импульсов
1.1. Оптико-терагерцовые преобразования в кристаллах
1.2. Оптико-терагерцовые преобразования в плазме и на поверхности металла
1.3. Стандартные схемы регистрации терагерцовых импульсов
Глава 2. Исследование оптико-терагерцовых преобразований в нелинейных кристаллах, разработка и исследование новых схем детектирования и генерации терагерцового излучения
2.1. Узкополосное детектирование терагерцового излучения с использованием периодически поляризованных кристаллов ниобата лития
2.2. Влияние терагерцового поля на параметры фемтосекундных лазерных импульсов в широкополосных электрооптических кристаллах
2.3. Детектирование терагерцового излучения по модификации спектра оптического импульса в электрооптическом кристалле
2.4. Перераспределение энергии между оптическими и терагерцовыми импульсами при их совместном распространении в широкополосных электрооптических кристаллах
2.5. Генерация терагерцового излучения в сэндвич-структуре
Глава 3. Экспериментальное исследование преобразования фемтосекундных лазерных импульсов в терагерцовый диапазон в ионизированном газе и на поверхности металла
3.1. Генерация терагерцового излучения при фокусировке в воздухе фемтосекундных лазерных импульсов аксиконной линзой
3.2. Генерация терагерцового излучения при фокусировке в воздухе фемтосекундных лазерных импульсов сферическими линзами
3.3. Генерация терагерцового излучения при фокусировке в воздухе двухчастотных фемтосекундных лазерных импульсов сферическими линзами
3.4. Генерация терагерцового излучения при падении фемтосекундных лазерных импульсов на поверхность металла
Заключение
Список цитируемой литературы
Публикации автора по теме диссертации

Введение
Терагерцовое излучение (ТИ, 10и-1013 Гц) представляет интерес вследствие уникальных возможностей, открывающихся при его использовании в спектроскопии, технике построения изображений скрытых объектов, высокочувствительных устройствах распознавания состава и состояния среды, медицинской томографии и т.д. Внимание к этим приложениям 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.
На данный момент для генерации излучения терагерцового диапазона используются различные устройства, отличающиеся по рабочему диапазону частот, ширине излучаемого спектра, величине средней и пиковой мощности. Лазеры на свободных электронах, способны генерировать непрерывное излучение во всем терагерцовом диапазоне 10п-1013Гц с высокой мощностью, возможностью существенной перестройки частоты. Однако лазеры на свободных электронах представляют собой очень большие и дорогостоящие системы, что существенно ограничивает их количество и возможности проведения исследований с их помощью [1]. Более компактные типы вакуумных электронных приборов - гиротроны, лампы обратной волны (ЛОВ), позволяют генерировать непрерывное или квазинепрерывное излучение с достаточно высокой средней мощностью, но преимущественно в диапазоне 10п-1012 Гц [1]. Квантовые каскадные лазеры, также генерируют непрерывное излучение, но в более высокочастотном диапазоне 10|2-5*1012 Гц (при охлаждении до температуры жидкого азота), а также за пределами терагерцового диапазона 10|3-1014 Гц (при комнатной температуре) [2]. Генераторы, использующие излучение лазера (оптико-терагерцовые устройства), позволяют получать и импульсное, и непрерывное ТИ во всем терагерцовом диапазоне 10п-1013 Гц [3]. Благодаря широкому частотному диапазону работы, компактности и доступности оптико-терагерцовые устройства сегодня являются очень популярными и распространенными.
Диссертация посвящена исследованию особого класса оптико-терагерцовых устройств -устройств на основе фемтосекундных лазеров. Их особенностью является предельно малая длительность импульсов генерируемого ТИ. Эти импульсы представляют собой всего одну -две осцилляции терагерцового поля и обладают предельно широким спектром, что существенно отличает их от других типов генераторов терагерцового диапазона. При малой длительности лазерного импульса оптико-терагерцовые устройства позволяют, в принципе, получать терагерцовые импульсы со спектром, перекрывающим весь терагерцовый диапазон [4]. Другим

важным фактором в применении фемтосекундной лазерной техники для исследований в терагерцовом диапазоне являются разработанные чувствительные оптические методы детектирования терагерцовых импульсов с временным разрешением (Terahertz time-domain spectroscopy, THz-TDS) [5], которые позволяют проводить измерения амплитудных и фазовых характеристик ТИ. Совершенствование и увеличение числа способов генерации и регистрации ТИ является актуальной задачей, поскольку позволяет расширить возможности использования ТИ в медицине, биологии, системах безопасности, для изучения процессов, протекающих в различных средах, контроля технических объектов, произведений искусства и т.д. [6-10].
Сегодня исследование и применение оптико-терагерцовых преобразований представляет собой достаточно обширную область и отражено в большом количестве обзоров и монографий [3, 11-14]. Первые работы, положившие начало этому направлению, относятся к середине 70-х годов [3]. Это были исследования по возбуждению коротких импульсов электрического тока в полупроводниках, выполненные Аустоном [15] и Ли [16]. Оптические импульсы лазера на неодимовом стекле (Nd:glass) использовались для осуществления перехода из непроводящего в проводящее состояние структуры, имевшей в своей основе высокоомный кремний (Si) [15] или допированный хромом (Сг) арсенид галлия (GaAs) [16]. В 1980 г. Аустон и др. [17] продемонстрировали возможность регистрации электрических импульсов путем использования структуры из аморфной Si пленки на подложке из плавленого кварца. Быстрая релаксация фотоотклика пленки была использована для генерации и измерения коротких импульсов тока с длительностью ~ 10 пс. Определяющую роль для перехода в терагерцовый диапазон сыграли работы по созданию материалов с меньшим временем релаксации, позволившие генерировать и регистрировать пикосекундные и субпикосекундные импульсы. Так в 1981 г. Смит с коллегами [18] изготовили фотопроводящую (ФП) пленку кремния на сапфировой подложке с предельно быстрым срабатыванием, которая использовалась и совершенствовалась на протяжении последующих 10 лет [19, 20]. Следующими важными шагами стали работы Аустон, Чеюнг, Смит [21] и Де-Фонзо и др. [22, 23], в которых электромагнитные импульсы распространялись в пространстве (в слое диэлектрика и воздухе), а затем когерентно детектировались. В 1988 г. Смит, Аустон и Нус [24] продемонстрировали усовершенствованную антенную структуру с ФП диполем. Было продемонстрировано, что такая дипольная структура обладает спектром, простирающимся от 100 ГГц до более чем 1 ТГц. Это фактически была первая работа, где было отмечено, что электромагнитное излучение ФП антенн содержит терагерцовые частоты.
С момента появления лазеров с синхронизацией мод на кристалле титан-сапфира (Ti:Sa) [25], произошло быстрое развитие генераторов оптических импульсов с длительностью менее 100 фс. Лазеры, имеющие в качестве активного элемента конденсированную среду гораздо

Рис. 1.3. Ориентация осей четвертьволновой пластинки, призмы Волластона и вектора поляризации электрического поля падающего на ЭО кристалл пробного оптического импульса.
Тогда компоненты вектора напряженности электрического поля определяются выражениями: Ex=aocos(kz-(ot), Ev=aocos(kz-cot). После прохождения через ЭО кристалл компоненты оптического поля Ех, Еу приобретают различный набег фаз, и результирующее поле записывается следующим образом: E^aocosÇkz-cot+q)*), Ey=aocos(kz-(o+cpy). Далее,
распространяясь через четверть волновую пластинку, ориентированную так, что ее быстрая ось направлена вдоль оси х, компонента поля параллельная оси у приобретает дополнительный набег фаз п/2. В результате получаем: Ex=aocos(kz-cot+ç>x), Ey=aocos(kz-cot +q+n/2). Проходя через следующий оптический элемент - призму Волластона (ПВ), ортогональные компоненты ОИ преломляются под разными углами и направляются в балансный детектор. При этом ПВ ориентирована таким образом, что отделяет оптические поляризации, ориентированные вдоль направлений а и Ъ (рисунок 1.3). В результате, для интенсивностей на фотодетекторах получаются следующие выражения: la = h* (1+1/2<р), 1ь ~ h * (1-1/2(р), где ср =(рх-(ру. Разность же определяется выражением: 1а-1ь = 1о*<Р■ Таким образом, разность сигналов с двух фотодетекторов определяется произведением исходного уровня сигнала на разность фазовых смещений срх-<Ру, вызванных эффектом Поккельса в ЭО кристалле. Через величину напряженности электрического поля ТИ разность интенсивностей выражается следующим образом:
что означает, что по измерению этой разности можно определить, какой величины поле было приложено к кристаллу в момент прохождения через него лазерного импульса.
Для определения временной зависимости напряженности электрического поля ТИ от времени лазерные импульсы постепенно смещаются относительно терагерцовых при помощи линии задержки. Как написано выше и показано на рисунке 1.4, лазерное излучение представляет собой приблизительно одинаковые фемтосекундные импульсы с несущей длиной волны 780 нм, следующие друг за другом с частотой 1 кГц. Каждый из этих импульсов разделяется на два: один мощный импульс, генерирующий ТИ, другой слабый, используемый
(1.9)