Szanghajski Instytut Optyki i Maszyn Precyzyjnych (SIPM) czyni postępy w badaniach nad nowym źródłem terahercowym opartym na laserze Yb

Niedawno Państwowe Laboratorium Fizyki Laserów Silnego Pola w Instytucie Optycznej Precyzji i Badań Mechanicznych (SIPMR) w Szanghaju, Chińskiej Akademii Nauk (CAS), poczyniło nowe postępy w generowaniu fal terahercowych silnego pola w oparciu o organiczne kryształy pompowane laserem Yb. Wyniki powiązanych badań zostały opublikowane w czasopiśmie Applied Physics pod tytułem „Efficient strong-field THz generation from DSTMS crystal pumped by 1030nm Yb-laser”. opublikowane w czasopiśmie Applied Physics Letters.
W porównaniu z kryształami nieorganicznymi, takimi jak ZnTe i LiNbO3, kryształy organiczne, takie jak DAST i DSTMS, mają wyższe współczynniki nieliniowe i niższe współczynniki absorpcji w paśmie terahercowym. W poprzednich badaniach, do pompowania kryształów organicznych, w celu uzyskania lepszego dopasowania fazowego i wyższej wydajności konwersji terahercowej, stosowano ogólnie podczerwony ultrakrótki laser impulsowy o długości fali od 1200 do 1700 nm. Jednak uzyskanie wysokoenergetycznych ultrakrótkich impulsów laserowych w tym paśmie długości fal wymaga konwersji częstotliwości przy użyciu technik takich jak OP(CP)A, co nie tylko znacznie zmniejsza wydajność konwersji energii i stabilność systemu, ale także poprawia koszty i złożoność sprzętu. W ostatnich latach społeczność naukowo-badawcza i przemysł podkreślały zalety ultrakrótkich laserów Yb ze względu na ich niskie koszty, dużą moc i miniaturyzację. Generowanie fal terahercowych przy użyciu lasera Yb bezpośrednio sterującego kryształem stanowi pomysł na opracowanie zintegrowanego źródła fal terahercowych i stwarza szansę na rozwój powiązanych badań naukowych i dziedzin zastosowań.
W tym badaniu opisano warunki dopasowania fazowego do generowania fal terahercowych poprzez pompowanie fotorektyfikacji kryształu organicznego za pomocą lasera o ultrakrótkim impulsie i przeanalizowano zależność częstotliwości terahercowej, długości koherencji itp. od lasera pompującego. Zespół badawczy wykorzystał DSTMS z kryształu organicznego pompowanego laserem Yb do generowania teraherców silnego pola. Poprzez zaprojektowanie dopasowania fazowego pasma terahercowego i zoptymalizowanie szerokości impulsu lasera pompującego i gęstości mocy, zespół uzyskał falę terahercową silnego pola o energii pojedynczego impulsu 0.4 μJ i szczytowej sile pola 236 kV/cm, z widmem obejmującym 0.1-6 THz, a wydajność konwersji energii fali laserowo-terahercowej osiągnęła 0.22%. Powyższe eksperymenty potwierdziły wykonalność wykorzystania kryształów organicznych pompowanych laserem Yb do generowania fal terahercowych o dużej mocy i sile pola rzędu miliwatów, co stanowi nowe, zintegrowane rozwiązanie źródła światła terahercowego do badań naukowych i promocji zastosowań w pokrewnych dziedzinach.
Prace te były wspierane przez Narodowy Program Kluczowych Badań i Rozwoju Chin, Narodową Fundację Nauk Przyrodniczych Chin oraz Program Rozwoju Instrumentów Chińskiej Akademii Nauk.

Rysunek 1. Generowanie i charakteryzowanie fal terahercowych silnego pola (a) eksperymentalna droga optyczna; (b) przebiegi terahercowe w dziedzinie czasu i widma (wstawka pokazuje ognisko terahercowe).

Rys. 2. Dopasowanie fazowe fali laserowo-terahercowej (a) współczynniki refrakcji kryształów DSTMS w paśmie podczerwonym i terahercowym; (b) zależność częstotliwości terahercowej, długości koherencji itp. od długości fali lasera pompującego; (c) długość koherencji terahercowej przy długości fali lasera pompującego 1030 nm; oraz (d) charakterystyki absorpcyjne kryształów DSTMS w paśmie podczerwonym i terahercowym.