Регистрация / Вход
Прислать материал

14.613.21.0056

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.613.21.0056
Тематическое направление
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Исполнитель проекта
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук
Название доклада
Источник терагерцового излучения с высокой энергией, перестраиваемый в широком спектральном диапазоне
Докладчик
Овчинников Андрей Владимирович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цель исследования - создание перестраиваемого источника терагерцового излучения в широком спектральном диапазоне от 0.5 ТГц до 3 ТГц методом оптического выпрямления фемтосекундных лазерных импульсов хром-форстерит лазерной системы в нелинейном органическом кристалле OH1. Для получения генерации узкополосных терегерцовых импульсов, перестраиваемых по частоте необходимо сформировать соответствующий временной профиль фемтосекундного лазера накачки.
Актуальность и новизна исследования
Разработка источников терагерцового излучения с высокой напряженностью электрического поля доли В/нм, ранее тяжело достижимые в области 0.1-10 ТГц, открыли направление резонансного и нерезонансного возбуждения сверхбыстрых процессов. Более высокие напряженности электрического поля терагерцового излучения, превышающие В/нм, могут стать мощным инструментом для прецизионного управления сверхбыстрыми электромагнитными процессами. Другим важным приложением может быть ускорение частиц в диэлектрических структурах, сверхбыстрое переключение магнитных доменов в новых магнитных материалах, таких как мультиферроики и ферроэлектрики.
Для достижения высоких значений напряженности электрического поля и энергии терагерцового импульса в ТГц частотном диапазоне, учеными из PSI впервые были разработаны новые кристаллы для генерации терагерцового излучения, такие как: DAST, OH1, DSTMS, HMQ-TMS. Для генерации излучения в диапазоне от 0.1 до 10 ТГц используется излучение фемтосекундной хром-форстерит лазерной системы, разработанной в ОИВТ РАН на длине волны 1240 нм. В результате удается получить коллимированный безаберрационный пучок линейно поляризованного терагерцового излучения с Гауссовым профилем интенсивности. Это позволяет сфокусировать пучок терагерцового излучения в пятно размером близкому к дифракционному пределу и, таким образом, достичь максимально возможной напряженности электрического поля.
Описание исследования

Прогресс в области генерации терагерцового излучения в последние годы открыл новые возможности для получения импульсных источников с высокими значениями энергии импульса и напряженности электрического поля.

В настоящей работе предложен новый метод электронно-управляемой генерации перестраиваемых по частоте импульсов терагерцового излучения. В основе метода лежит оптическое выпрямление чирпированных лазерных импульсов хром-форстерит лазерной системы в нелинейном органическом кристалле OH1 ((2-(3-(4-Hydroxystyryl)-5,5-dimethylcyclohex-2-enylidene)malononitrile). Перестройка терагерцового излучения по частоте происходит за счет изменения периода амплитудно-фазовой модуляции фемтосекундных лазерных импульсов накачки посредством акустооптической дисперсионной линией задержки (АОДЛЗ) с комплекснозначной спектральной функцией пропускания. Применение адаптивной АОДЛЗ позволяет обеспечить одновременную и независимую перестройку, как по частоте, так и по ширине спектра терагерцового излучения. Потери энергии импульса в АОДЛЗ могут быть полностью скомпенсированы в усилительных каскадах, работающих в режиме насыщения.

Мощные ФЛИ генерировались тераваттной хром-форстерит лазерной системой. В стартовой части системы была установлена электронно-управляемая АОДЛЗ.. Лазерная система собрана по стандартной CPA схеме усиления чирпированных импульсов и состояла из задающего генератора, стретчера, регенеративного усилителя, трех многопроходных усилителей и временного компрессора. Задающий генератор формировал импульсы с энергией 3 нДж, длительностью 60 фс, шириной спектра 45 нм на центральной длине волны 1260 нм и частотой повторения 70 МГц. АОДЛЗ была установлена между задающим генератором и стретчером и осуществляла фазово-амплитудную модуляцию спектра лазерного импульса для формирования на выходе лазерной системы излучения с требуемым временным профилем. На выходе лазерной системы энергия импульса достигала 40 мДж с шириной спектра 25 нм на длине волны излучения 1230 нм и частотой повторения импульсов 10 Гц.

АОДЛЗ на основе монокристалла парателлурита имела квазиколлинерную геометрию взаимодействия и обладала высоким спектральным разрешением. Длина акустооптического кристалла 67 мм. Ширина аппаратной функции АОДЛЗ на длине волны 1260 нм составляла 0.24 нм по уровню –3 дБ. Поскольку АОДЛЗ может создавать как положительную, так и отрицательную дисперсию, за нулевые значения были приняты величины дисперсии и второго и третьего порядков, равные по величине и противоположные по знаку собственной дисперсии кристалла парателлурита. Таким образом, при отсутствии модуляции, ФЛИ на выходе АОДЛЗ оставались спектрально ограниченными. АОДЛЗ формировала два сдвинутых по времени на величину τ идентичных чирпированных импульса.

В результате использования такого метода управления спектром лазерного импульса на выходе лазерной системы были получены два импульса с электронно-управляемой задержкой между ними, которые направлялись в нелинейный органический кристалл OH1 для оптического выпрямления в коллинеарной геометрии в условиях фазового синхронизма. Для измерения временного профиля лазерного импульса использовался автокоррелятор в неколлинеарной геометрии. При увеличении задержки между импульсами период модуляции чирпированных импульсов будет уменьшаться, а количество максимумов будет увеличиваться.

Генерацию терагерцовых импульсов с узким спектром можно получить методом смешения двух задержанных относительно друг друга линейно чирпированных импульсов в нелинейной среде. В этом случае центральная частота и ширина спектра, генерируемого терагерцового излучения, определяется длительностью чирпированного импульса и временной задержкой между ними.

Максимально возможная длительность чирпированного импульса, измеренная в экспериментах с помощью АОДЛЗ, составляла 2.2 пс, при этом ожидаемая минимальная ширина спектра терагерцового излучения составит ~200 ГГц. Следует отметить, что для дополнительного увеличения длительности лазерного импульса и, следовательно, уменьшения ширины спектра терагерцового излучения можно использовать механические настройки компрессора лазерной системы, однако, целью данной работы было электронное управление спектром терагерцового излучения исключительно с помощью АОДЛЗ.

По ширине спектра (0.5-2.5 ТГц), генерируемого терагерцового излучения в кристалле ОН1, определяется диапазон изменений временных задержек между двумя чирпированными импульсами. При длительности чирпированного импульса 2.2 пс диапазон временных задержек находится в интервале 0.5—1.5 пс.

Результаты исследования

В экспериментах по генерации импульсного терагерцового излучения с различной центральной частотой использовались лазерные импульсы с временной формой, соответствующей временным задержкам между двумя чирпированными импульсами (длительность 2.2 пс) 0.5, 1 и 1.5 пс. По измеренным автокорреляционным функциям импульсов терагерцового излучения были получены спектры излучения, центральная частота которых сдвигается в зависимости от задержки между лазерными импульсами, а ширина спектра составляет ~ 250 ГГц. Энергия импульсов терагерцового излучения измерялась с помощью пироэлектрического детектора (SPI-D, Spectrum Detector Inc.) и составила величину 1.3, 6.2 и 1.7 мкДж на частотах 0.6, 1.2 и 1.8 ТГц соответственно.

В работе впервые экспериментально продемонстрировано электронно-управляемая генерация многопериодных узкополосных импульсов терагерцового излучения с различной центральной частотой методом оптического выпрямления в нелинейном органическом кристалле ОН1 профилированных лазерных импульсов хром-форстерит лазерной системы. Адаптивная перестройка центральной частоты генерации происходит за счет формирования соответствующего многопичкового временного профиля лазерного импульса накачки на длине волны 1230 нм. Впервые для формирования необходимой формы лазерного импульса была использована акустооптическая дисперсионная линия задержки, которая позволяла адаптивно изменять временную задержку между двумя чирпированными импульсами, и, соответственно, изменять центральную частоту генерации терагерцовых импульсов, а также управлять шириной спектра за счет изменения длительности чирпированного импульса накачки. Получена генерация импульсов терагерцового излучения с шириной спектра 250 ГГц в частотном диапазоне от 0.5 ТГц до 2 ТГц с энергиями от 1 до 6 мкДж. Преимуществом метода является возможность компенсировать уменьшение энергии лазерного импульса после дифракции в акустооптической дисперсионной линии задержки в усилительных каскадах лазерной системы, которые работают в режиме насыщения. Данный метод позволяет практически в реальном времени адаптивно управлять частотой и шириной спектра генерируемых импульсов терагерцового излучения.

Необходимо отметить, что применение данного метода формирования многопичкового режима генерации лазерной системы требует тщательной регулировки коэффициента усиления, так как в схеме усиления чирпированного импульса вместо одного растянутого во времени импульса усиливается последовательность более коротких импульсов.

Эксперименты проведены с использованием разработанной в ОИВТ РАН уникальной тераваттной фемтосекундной хром-форстерит лазерной системы, оборудования, входящего в состав ЦКП «Лазерный фемтосекундный комплекс» ОИВТ РАН.

Работа выполнена при поддержке Минобрнауки РФ, Соглашение о предоставлении субсидии №14.613.21.0056, RFMEFI61316X0056 и Швейцарского национального научного фонда, проект IZLRZ2_164051. Акустооптическая дисперсионная линия задержки разработана в НТУЦ Акустооптики НИТУ «МИСиС» при поддержке проекта 278, выполняемого в рамках базовой части Государственного задания в сфере научной деятельности №2014/113.

Практическая значимость исследования
Терагерцовые импульсы с высокой интенсивности открывают новые возможности их практического применения в фотонике, биологии, медицине, материаловедении, в интересах национальной безопасности, астрофизике, химии, в системах контроля качества на производствах, в мониторинге окружающей среды и экологии, археологии, палеонтологии и других областях народного хозяйства.
В системах национальной безопасности терагерцовое излучение может быть использовано для сканирования багажа и людей. В отличие от рентгеновского, терагерцовое излучение является неионизирующим и безвредно для живых организмов.
В биологии и медицине терагерцовое излучение может быть использовано в томографии поверхностных слоев биологических тканей, в диагностике и лечении злокачественных образований.
С помощью терагерцового излучения можно получать снимки поверхностей и объектов, скрытых под штукатуркой или краской. Это предоставит возможность бесконтактным способом исследовать объекты археологии, предметы искусства и живописи.
На производстве терагерцовое излучение может найти применение в выходном контроля качества выпускаемой продукции, например, фарминдустрии.
Рассматривается возможность применения терагерцовых импульсов в разработке новых высокоскоростных систем связи и локации.