РАЗВИТИЕ НЕКОЛЛИНЕАРНЫХ И КВАЗИСИНХРОННЫХ СХЕМ НЕЛИНЕЙНО-ОПТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАНИЙ ДЛЯ ТЕРАГЕРЦОВОГО И СРЕДНЕГО ИНФРАКРАСНОГО ДИАПАЗОНОВ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.21, кандидат наук Горелов Сергей Дмитриевич

• Горелов Сергей Дмитриевич
• кандидат наук
• 2016

Оглавление диссертации кандидат наук Горелов Сергей Дмитриевич

Введение

Глава 1. Генерация терагерцового излучения при волноводном распространении импульсов оптического осциллятора в тонком слое ниобата лития

1.1. Схема генерации и описание экспериментальной установки

1.2. Результаты экспериментов

1.3. Выводы

Глава 2. Черенковская эмиссионная терагерцовая спектроскопия оптомагнитных эффектов

2.1. Описание экспериментальной установки

2.2. Анализ формы спектроскопического сигнала

2.3. Измерение константы Верде в сверхбыстром режиме

2.4. Выводы

Глава 3. Теория неколлинеарного неэллипсометрического метода электрооптического стробирования терагерцовых волн

3.1. Теоретическая модель и расчет модуляции интенсивности пробного пучка терагерцовой волной

3.2. Детектирование с угловым разрешением

3.3. Детектирование с делением пробного пучка

3.4. Выводы

Глава 4. Генерация и исследование свойств сверхширокополосной частотной гребенки в среднем ИК диапазоне

4.1. Схема генерации

4.2. Измерение порога генерации и выходной мощности оптического

параметрического осциллятора

4.3. Схема измерения частоты смещения заполнения относительно огибающей ИК импульса

4.4. Исследование спектральных и когерентных свойств частотной гребенки

4.5. Выводы

Заключение

Литература

Список публикаций по диссертации

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «РАЗВИТИЕ НЕКОЛЛИНЕАРНЫХ И КВАЗИСИНХРОННЫХ СХЕМ НЕЛИНЕЙНО-ОПТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАНИЙ ДЛЯ ТЕРАГЕРЦОВОГО И СРЕДНЕГО ИНФРАКРАСНОГО ДИАПАЗОНОВ»

Введение

За последние два десятилетия достигнут значительный прогресс в освоении терагерцового и среднего инфракрасного (ИК) диапазонов электромагнитного спектра. Распространенными источниками и детекторами когерентного терагерцового излучения стали фотопроводящие антенны, управляемые фемтосекундными лазерными импульсами [1]. Разработаны и более широкополосные методы генерации и детектирования терагерцового излучения на основе нелинейно-оптических преобразований фемтосекундных лазерных импульсов в электрооптических кристаллах [2]. Квантово-каскадные лазеры становятся практическими источниками среднего ИК излучения наряду с оптическими параметрическими преобразователями [3]. Появление эффективных методов генерации и детектирования электромагнитного излучения в этих, прежде труднодоступных, диапазонах открыло возможности для решения широкого круга прикладных задач. В терагерцовом и среднем ИК диапазонах лежат резонансы многих практически важных молекул, например, биомаркеров, используемых при анализе дыхания человека, взрывчатых и других опасных веществ. Это позволяет обнаруживать подобные вещества в малых концентрациях. Многие материалы имеют окна прозрачности в терагерцовом диапазоне, что дает возможность строить терагерцовые системы безопасности и системы контроля качества, проводить интроскопию объектов искусства и археологических артефактов. Уникальной особенностью импульсного терагерцового излучения является возможность проводить спектроскопию во временной области (TDS - time-domain spectroscopy), позволяющую практически мгновенно получать спектральные «отпечатки пальцев» различных веществ в широком (более октавы) спектральном диапазоне. Рекордных значений спектрального разрешения позволяет достигать новейший вид прецизионной терагерцовой и ИК спектроскопии, основанный на использовании «световых гребенок» (frequency comb) - узких эквидистантных спектральных линий, характерных для длинных последовательно-

стей импульсов [4]. Исследуются возможности применения сильных терагер-цовых полей для целей ускорения частиц [5], сверхбыстрого управления магнитными явлениями в веществе [6] и нелинейной спектроскопии [7].

Эффективность нелинейных оптико-терагерцовых преобразований зависит от выполнения условия фазового синхронизма взаимодействующих волн. В случае коллинеарного распространения это условие выполняется лишь в некоторых кристаллах и при определенной длине волны лазерного излучения (например, в кристалле ZnTe для импульсов титан-сапфирового лазера). В кристаллах с высокой кубичной нелинейностью, типа ниобата лития (LiNbO3), которые представляют большой практический интерес, скорости оптических и терагерцовых волн сильно различаются, и коллинеарный синхронизм не может быть выполнен. В связи с этим в последнее время все шире применяются схемы неколлинеарного (черенковского) синхронизма, а также квазисинхронизма в периодически неоднородных средах. Развитию этих перспективных схем и посвящена диссертация.

Одной из наиболее эффективных неколлинеарных схем оптико-терагерцового преобразования является черенковское излучение терагерцо-вых волн лазерным импульсом, распространяющимся в виде направляемой моды в тонком слое электрооптического материала (LiNbO3), прикрепленном к выводящей терагерцовые волны кремниевой призме [8]. Источником излучения служит нелинейная поляризация, наводимая в слое за счет оптической ректификации лазерного импульса. При накачке подобной структуры импульсами титан-сапфирового усилителя с энергией до 40 мкДж была достигнута эффективность оптико-терагерцового преобразования более 0,1% при ширине спектра около 3 ТГц [9]. Дальнейшее усовершенствование схемы позволило повысить эффективность до 0,25% при накачке импульсами с энергией 15-20 мкДж и добиться возможности управления генерируемым спектром [10]. Достигнутые значения эффективности являются рекордными для уровня накачки в десятки микроджоулей.

В диссертации (глава 1) экспериментально продемонстрирована применимость структуры указанного типа для оптико-терагерцового преобразования импульсов фемтосекундных осцилляторов с различной длиной волны и энергией порядка нескольких наноджоулей. При накачке импульсами столь малой энергии приходится применять фокусировку в пятно (а не в линию, как при накачке импульсами в десятки микроджоулей). Хотя это и приводит к большей расходимости терагерцового пучка (который теперь имеет коническую, а не клиновидную форму), тем не менее, зарегистрированная в эксперименте, например, с титан-сапфировым осциллятором, терагерцовая энергия оказалась примерно в 100 раз больше, чем в стандартной коллинеарной схеме с кристаллом 2пТе. Для целей терагерцовой спектроскопии (как во временной области, так и на основе световых гребенок) использование в качестве накачки оптического осциллятора является предпочтительным, поскольку большая, чем у усилителя, частота следования импульсов осциллятора позволяет достичь более высокого отношения сигнал/шум. К тому же, в качестве накачки могут быть использованы компактные и сравнительно дешевые волоконные осцилляторы.

В последние годы большой интерес вызывают сверхбыстрые магнитные явления, индуцируемые в твердых телах фемтосекундными лазерными импульсами [11]. Активные исследования, ведущиеся в данном направлении, важны как с научной точки зрения - для развития физики магнетизма, так и с практической - для разработки новых сверхбыстрых способов записи и обработки информации. Выяснено, что сверхбыстрые оптомагнитные явления могут иметь как тепловую, так и нетепловую природу. В явлениях тепловой природы, таких как лазерно-индуцированное размагничивание ферромагнитных пленок [12] и переориентация спинов в аниферромагнетиках [13], изменения магнитной упорядоченности происходят в результате быстрого повышения температуры образца при поглощении лазерных импульсов [11]. Обсуждаются потенциальные приложения тепловых эффектов для сверхбыстрого переключения намагниченности в ферримагнитных сплавах [14]. Сущест-

6

вование оптомагнитных явлений нетепловой природы, таких как лазерно-индуцированные осцилляции спинов в редкоземельных ортоферритах [15] и инвертирование намагниченности ферримагнитных сплавов [16], было также экспериментально установлено и отнесено к проявлениям обратного эффекта Фарадея (ОЭФ). Этот нелинейно-оптический эффект второго порядка, состоящий в индуцировании в среде намагниченности циркулярно-поляризованным светом, был предсказан [17] и теоретически описан для квазимонохроматического света [18] более 50 лет назад. Согласно теории ОЭФ [18] величина эффекта определяется тем же параметром - константой Верде, что характеризует вращение плоскости поляризации света в намагниченной среде (прямой эффект Фарадея). Вскоре после предсказания ОЭФ был подтвержден экспериментально для сравнительно длинных (длительностью 30 нс) лазерных импульсов [19]. В настоящее время предметом активных исследований и оживленных дебатов является механизм сверхбыстрого (на субпи-косекундных временах) ОЭФ [20-22].

Основными экспериментальными методами исследования сверхбыстрых оптомагнитных явлений являются фемтосекундная pump-probe спектроскопия [23] и эмиссионная терагерцовая спектроскопия (измерение терагер-цового излучения из оптически возбужденного образца) [24]. При этом в типичных оптомагнитных экспериментах регистрируют осцилляции намагниченности, которые происходят в течение длительного времени после прекращения фемтосекундного лазерного импульса накачки. Так, например, в работе [15] с помощью измерений фарадеевского вращения плоскости поляризации пробного оптического пучка наблюдались индуцированные лазерным импульсом спиновые колебания на частоте около 300 ГГц в ортоферрите диспрозия. В работах [25-28] путем регистрации терагерцового излучения из оптически возбужденного образца NiO наблюдались осцилляции намагниченности на частоте антиферромагнитного резонанса (~1 ТГц). Таким образом, типичные эксперименты по изучению сверхбыстрого оптомагнетизма

основаны на измерении последствий оптического возбуждения, а не свойств

7

переходной намагниченности, индуцируемой во время действия лазерного импульса. Результаты таких экспериментов содержат, очевидно, только косвенную информацию о сверхбыстром ОЭФ. Чтобы прояснить природу данного эффекта, необходимы более прямые измерения. В недавней работе [22] была предпринята попытка измерить методом pump-probe спектроскопии переходную намагниченность, сопровождающую воздействие циркулярно-поляризованного лазерного импульса накачки на кристалл тербий-галлиевого граната (ТГГ). Измеренное фарадеевское вращение плоскости поляризации пробного оптического импульса оказалось на четыре порядка больше предсказываемого стандартной теорией ОЭФ с табличным (квазистатическим) значением константы Верде [18] (в опубликованной позже поправке авторы уменьшили расхождение до двух порядков [29]). Кроме того, в работе [22] было высказано предположение, что, хотя ТГГ и является парамагнитным материалом, однако сверхбыстрый ОЭФ в этом кристалле должен носить диамагнитный характер в силу медленности парамагнитного упорядочения. Это предположение, однако, не было подтверждено экспериментально из-за принципиальных ограничений метода pump-probe спектроскопии.

В работе [30] предложен новый подход к исследованию сверхбыстрых оптомагнитных явлений, основанный на измерении терагерцового черенков-ского излучения от движущейся вместе с лазерным импульсом накачки области намагниченности в магнитооптическом материале. Анализ волновой формы черенковского излучения позволяет получить информацию о сверхбыстрой намагниченности в пределах лазерного импульса, в том числе, в отличие от pump-probe спектроскопии, определить характер намагниченности -парамагнитный или диамагнитный.

В диссертации (глава 2) впервые экспериментально реализован предложенный в работе [30] метод черенковской терагерцовой эмиссионной спектроскопии. С помощью данного метода проведено экспериментальное исследование сверхбыстрого ОЭФ в кристалле ТГГ, в частности, измерены

знак и абсолютное значение константы Верде в субпикосекундном режиме,

8

что позволило сделать вывод о парамагнитном характере сверхбыстрого ОЭФ в этом материале и сомнительности данных работы [22] (см. также [29]).

Терагерцовая спектроскопия во временной области (ТШ-ТББ) основана на измерении временной формы прошедшего через исследуемый образец терагерцового импульса. Измерение осуществляется путем стробирования терагерцового поля фемтосекундными оптическими импульсами при одновременном воздействии терагерцового и оптического импульсов на фотопро-водящую антенну или электрооптический кристалл [1, 31]. В стандартной схеме электрооптического стробирования пробный оптический импульс распространяется в электрооптическом кристалле коллинеарно с терагерцовым импульсом и испытывает изменение поляризации за счет эффекта Поккельса [32]. Это изменение (степень эллиптичности) поляризации измеряют как функцию временной задержки между оптическим и терагерцовым импульсами с помощью поляризационной оптики и балансного фотодетектора. Таким образом, стандартная схема электрооптического стробирования представляет собой коллинеарную эллипсометрическую схему.

В стандартной схеме для эффективного электрооптического стробиро-вания необходимо выполнение условия синхронизма - равенства групповой скорости оптического импульса и фазовой скорости терагерцовой волны, что требует подбора конкретного кристалла под длину волны X пробного оптического импульса. Например, кристалл ZnTe широко используется при электрооптическом стробировании терагерцовых волн импульсами титан-сапфирового лазера (X ~ 0,8 мкм), кристаллы СёТе и ваР способны обеспечить синхронизм при X ~ 1,06 мкм [33]. Не известны, однако, кристаллы, способные обеспечить синхронизм терагерцовых волн с импульсами практически удобных (компактных и сравнительно недорогих) волоконных лазеров с X ~ 1,55 мкм.

В работе [34] была предложена неколлинеарная эллипсометрическая

схема электрооптического стробирования, основанная на обращении явления

9

черенковского излучения терагерцовых волн оптическими импульсами в электрооптических кристаллах. В этой схеме терагерцовое излучение заводится в кристалл при помощи кремниевой призмы под черенковским углом к пробному оптическому пучку, что обеспечивает синхронное распространение фазовых фронтов измеряемой терагерцовой волны и пробного оптического импульса в нормальном по отношению к фазовым фронтам направлении. В работе [34] принцип действия неколлинеарной схемы был продемонстрирован экспериментально с использованием титан-сапфирового лазера и кристалла ниобата лития, в котором оптическая групповая и терагерцовая фазовая скорости сильно различаются. Важным достоинством неколлинеар-ной (черенковской) схемы является возможность ее адаптации к различным электрооптическим кристаллам и произвольной длине волны пробного лазерного излучения путем простого подбора угла среза согласующей кремниевой призмы. При использовании электрооптических кристаллов с небольшим рассинхронизмом оптической и терагерцовой скоростей, таких, например, как ваЛ8, неколлинеарная схема может быть упрощена: вместо согласующей призмы достаточно использовать наклонный ввод пробного пучка в кристалл (при этом терагерцовый пучок вводится в кристалл по нормали) [35].

Использование в описанной выше неколлинеарной эллипсометриче-ской схеме кристаллов с большим значением электрооптического коэффициента, таких как Ы№03, ЫТа03, БЛБТ, осложняется наличием у этих кристаллов сильного двулучепреломления, которое может приводить к пространственному разделению ортогонально поляризованных компонент пробного пучка и, следовательно, к ухудшению электрооптического сигнала. Влияние двулучепреломления можно скомпенсировать путем применения двухпроходной схемы [34, 36], которая, однако, требует дополнительных оптических элементов и сложна в настройке.

В недавней работе [37] был предложен и экспериментально реализован

неколлинеарный неэллипсометрический метод электрооптического строби-

10

рования терагерцовых волн. Метод основан на идее, что при нелинейно-оптическом взаимодействии пробного оптического и измеряемого терагерцо-вого пучков в электрооптической среде может происходить модуляция тера-герцовым полем не только поляризации, но и интенсивности оптического пучка. Чтобы модуляция интенсивности была эффективной, принципиально важна неколлинеарность оптического и терагерцового пучков - она приводит к разделению в пространстве (по поперечному сечению оптического пучка) тех частей оптического пучка, которые модулированы за счет двух разных процессов - генерации разностной и суммарной частот и имеют вследствие этого противоположные знаки модуляции. (В стандартной коллинеарной схеме вклады от этих процессов компенсируют друг друга.) Отметим, что для регистрации модуляции интенсивности (в отличие от эллипсометрии) не требуется сложная (и дорогостоящая) поляризационная оптика и балансный фотодетектор. К тому же, в силу неколлинеарности предложенной в [37] не-эллипсометрической схемы она может быть легко адаптирована к различным кристаллам и длинам волн пробного пучка.

Для теоретического обоснования принципа неколлинеарного неэллип-сометрического стробирования в работе [37] была использована упрощенная модель, в которой пробный оптический пучок считался плоской волной. Данная модель позволяет продемонстрировать лишь угловое разделение процессов генерации суммарной и разностной частот, но не дает описания пространственного распределения вкладов этих процессов в модуляцию оптической интенсивности в плоскости наблюдения и, следовательно, не позволяет рассчитать выходной электрооптический сигнал.

В диссертации (глава 3) разработана последовательная теория некол-линеарного неэллипсометрического метода электрооптического стробирования терагерцовых волн, учитывающая принципиально важный фактор конечной ширины пробного пучка. Теория описывает распределение модуляции оптической интенсивности по поперечному сечению пробного пучка в

его дальней зоне, а также искажения временной формы и спектра измеряемого терагерцового сигнала для практически важных условий детектирования.

Кроме схем неколлинеарного синхронизма, для достижения эффективного взаимодействия между импульсом накачки и волнами терагерцового и среднего ИК диапазонов используют также квазисинхронизм в периодических структурах из слоев электрооптического кристалла с чередующейся ориентацией кристаллографических осей. Распространяющийся в такой структуре импульс накачки индуцирует нелинейную поляризацию, которая меняет знак на каждой границе раздела слоев и, вследствие этого, оказывается синфазной с запаздывающей по фазе на п терагерцовой (или ИК) волной. При этом существенно возрастает эффективная длина синхронного взаимодействия импульса накачки и генерируемой волны. Впервые оптико-терагерцовое преобразование в условиях квазисинхронизма было реализовано с периодически-полярным ниобатом лития (РРЬК) [38, 39]. В последнее время в квазисинхронных схемах терагерцовой и ИК генерации все шире применяют периодически-ориентированный арсенид галлия (ОР-ваЛз), обладающий такими преимуществами, как малое поглощением на терагерцо-вых частотах (на порядок меньшее, чем, например, у Ы№03 и 2пТе), большой нелинейный коэффициент и малая расстройка скоростей оптического импульса и терагерцовых волн [40]. В частности, структуры на основе ОР-ваЛз применяются для параметрической внутрирезонаторной генерации те-рагерцового и среднего ИК излучений в оптических параметрических осцилляторах (ОПО) [41]. ОПО являются одними из наиболее эффективных источников широкополосных частотных гребенок среднего ИК диапазона, позволяют управлять спектром излучения и контролировать важные для спектроскопии параметры частотной гребенки (положение первой линии в спектре, расстояние между линиями).

Для генерации в ОПО широкополосных частотных гребенок в качестве источника накачки используют фемтосекундные осцилляторы, спектры которых также представляют собой частотные гребенки. Как правило, накачка

12

ОПО осуществляется синхронно, т.е. временной интервал между соседними импульсами накачки равен времени полного прохода генерируемого импульса в резонаторе ОПО. В общем случае частотная гребенка накачки преобразуется в ОПО в две частотные гребенки - сигнальную и холостую. Если энергия фотона накачки делится в нелинейной среде поровну между сигнальной и холостой гармониками (divide-by-2 ОПО), осциллятор работает в вырожденном режиме, а центральная длина волны его излучения в два раза больше центральной длины волны накачки. В этом случае сигнальная и холостая гребенки частично или полностью перекрываются (и неразличимы), что позволяет добиться наибольшей ширины спектра (и наименьшей длительности импульса) генерируемого излучения. В работах [42] и [43] для генерации частотной гребенки был использован divide-by-2 ОПО с периодической нелинейной структурой. В дальнейшем подобная техника неоднократно демонстрировала свою эффективность при генерации широкополосного излучения среднего ИК диапазона с использованием структур PPLN и OP-GaAs и различных источников накачки (см., например, [44-46]).

Особый интерес представляют двухрезонаторные (с резонатором как для сигнальной, так и для холостой волн) divide-by-2 ОПО, в которых возможен перенос когерентности накачки на генерируемое излучение. Так, например, частота смещения заполнения относительно огибающей fCEO (от англ. «carrier envelope offset», координата первой спектральной линии гребенки на частотной оси) сигнальной и холостой волн определяется величиной fCEO накачки и частотой повторения импульсов [43]. Это утверждение справедливо как для строго вырожденного [47, 48], так и для невырожденного [49, 50] режима генерации. Кроме того, было продемонстрировано экспериментально, что ширина линий частотной гребенки ОПО и частотной гребенки лазера накачки отличаются меньше, чем на 1 Гц [50].

Для ряда спектроскопических приложений, например, для обнаружения химических соединений с сильно различающимися диапазонами поглощения, необходимо иметь источник излучения с как можно более широким

13

спектром, желательно шириной в октаву и более. Поскольку полоса прозрачности ваЛз (1,5 мкм - 17 мкм) много шире полосы прозрачности Ы№О3 (0,5 мкм - 5 мкм), для генерации частотных гребенок с наибольшим спектральным покрытием в качестве нелинейного элемента ОПО используют 0Р-ваЛз. Диапазон излучения известных и наиболее тщательно охарактеризованных двухрезонаторных ОПО составляет 3,3-5 мкм (нелинейный элемент -ОР-ваЛз с периодом 53 мкм) [48], 3,1-3,5 мкм и 4,8-5,7 мкм (нелинейный элемент - халькогенид Лз283) [50]. Наиболее широкий спектр излучения 2,66,1 мкм достигнут при использовании в ОПО нелинейного элемента ОР-ваЛз с периодом 60,5 мкм [46]. При этом, однако, вблизи центральной частоты спектра (частоты вырождения) наблюдался широкий провал (глубиной до 30 дБ). Кроме того, в работе [46] не были исследованы когерентные свойства генерируемого излучения.

В диссертации (глава 4) исследованы свойства частотной гребенки среднего ИК диапазона, полученной с помощью оптического параметрического осциллятора с нелинейным элементом в виде ОР-ваЛз структуры с периодом 51,5 мкм. Продемонстрирована генерация в вырожденном режиме сверхширокополосной (в диапазоне длин волн 2,6-7,5 мкм на уровне -20 дБ) частотной гребенки с равномерным распределением спектральной плотности (изменение менее 3 дБ в интервале 3,1-4,8 мкм) и средней мощностью до 73 мВт. Показано, что генерируемое излучение сохраняет когерентные свойства накачки. Путем изменения внутрирезонаторной дисперсии осуществлен переход от строго вырожденного режима генерации ОПО с одиночной частотной гребенкой к почти вырожденному режиму с двойной гребенкой, покрывающей еще большую спектральную область.

Итак, целью диссертационной работы является разработка ориентированных на спектроскопические приложения методов генерации и детектирования электромагнитных волн терагерцового и среднего ИК диапазонов на основе нелинейно-оптического преобразования ультракоротких лазерных

импульсов ближнего ИК диапазона в условиях неколлинеарного (черенков-ского) синхронизма и квазисинхронизма в электрооптических кристаллах.

Научная новизна проведенных исследований заключается в следующем:

1. Впервые экспериментально продемонстрировано эффективное нелинейно-оптическое преобразование импульсов титан-сапфирового фемтосекунд-ного оптического осциллятора с энергией порядка нескольких наноджо-улей в широкополосное терагерцовое излучение в неколлинеарной схеме с волноводным распространением импульса накачки в тонком слое ниобата лития и выводом терагерцового излучения под черенковским углом через кремниевую призму.

2. Впервые экспериментально подтверждена эффективность неколлинеарной схемы с тонким слоем электрооптического материала (ниобата лития), прикрепленном к выводящей терагерцовые волны кремниевой призме, для оптико-терагерцового преобразования импульсов фемтосекундных оптических осцилляторов с различной центральной длиной волны.

3. Впервые экспериментально зарегистрировано терагерцовое черенковское излучение от движущегося импульса сверхбыстрой намагниченности, индуцированного в магнитооптической среде (тербий-галлиевом гранате) ультракоротким лазерным импульсом.

4. Впервые экспериментально реализован новый метод терагерцовой спектроскопии - черенковская эмиссионная терагерцовая спектроскопия, что позволило впервые измерить знак константы Верде магнитооптического материала в условиях сверхбыстрого обратного эффекта Фарадея. Измерения с помощью данного метода величины константы Верде поставили под сомнение результаты предшествующих pump-probe измерений других авторов.

5. Впервые разработана последовательная теория неколлинеарного неэллип-сометрического метода электрооптического стробирования терагерцовых

волн ультракороткими лазерными импульсами, учитывающая принципиально важный фактор конечной ширины оптического пучка. 6. При использовании периодически структурированного кристалла ваЛз в качестве нелинейного элемента оптического параметрического осциллятора достигнута генерация частотной гребенки среднего ИК диапазона с рекордной шириной спектра в 1,5 октавы (от 2,6 мкм до 7,5 мкм) и сохранением когерентности излучения накачки.

Перейдём к последовательному краткому изложению содержания диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка работ по теме диссертации и списка цитируемой литературы.

Во введении обосновывается актуальность работы, формулируются её цели, кратко излагается содержание диссертации, приводятся основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена экспериментальному исследованию нелинейно-оптического преобразования импульсов фемтосекундных оптических осцилляторов с различной центральной длиной волны в терагерцовое излучение в неколлинеарной схеме с волноводным распространением импульса накачки в тонком слое ниобата лития и выводом терагерцового излучения под черенковским углом через кремниевую призму.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Горелов Сергей Дмитриевич, 2016 год

Литература

1. Castro-Cumus E., Alfaro M. Photoconductive devices for terahertz pulsed spectroscopy: a review [Invited] // Photon. Res. 2016. Vol. 4. P. A35.

2. Zhang X.-C., Xu J. Introduction to THz Wave Photonics // Springer. 2010. PP. 36, 45, 47.

3. Yao Y., Hoffman A. J., Gmachl C. F. Mid-infrared quantum cascade lasers // Nat. Photon. 2012. Vol. 6. P. 432.

4. Hansch T.W., Picque N. Laser spectroscopy and frequency combs // J. Phys.: Conf. Ser. 2013. Vol. 467. P. 012001.

5. Nanni E. A., Huang W. R., Hong Kyung-Han et al. Terahertz-driven linear electron acceleration // Nat. Commun. 2015. Vol. 6. P. 8486.

6. Kubacka T., Johnson J. A., Hoffmann M. C. et al. Large-amplitude spin dynamics driven by a THz pulse in resonance with an electromagnon // Science. 2014. Vol. 343. P. 1333.

7. Hwang H.Y., Fleischer S., Brandt N. C. et al. A review of non-linear terahertz spectroscopy with ultrashort tabletop-laser pulses // J. Modern Opt. 2015. Vol. 62. P. 1447.

8. Bodrov S. B., Bakunov M. I., Hangyo M. Efficient Cherenkov emission of broadband terahertz radiation from an ultrashort laser pulse in a sandwich structure with nonlinear core // J. Appl. Phys. 2008. Vol. 104. P. 093105.

9. Bodrov S. B., Stepanov A. N., Bakunov M. I. et al. Highly efficient optical-to-terahertz conversion in a sandwich structure with LiNbO3 core // Opt. Express. 2009. Vol. 17. P. 1871.

10. Bodrov S. B., Ilyakov I. E., Shishkin B. V., Stepanov A. N. Efficient terahertz generation by optical rectification in Si-LiNbO3-air-metal sandwich structure with variable air gap // Appl. Phys. Lett. 2012. Vol. 100. P. 201114.

11. Kirilyuk A., Kimel A. E., Rasing Th. Ultrafast optical manipulation of magnetic order // Rev. Mod. Phys. 2010. Vol. 82. P. 2731.

12. Beaurepaire E., Merle J.-C., Daunois A., Bigot J.-Y. Ultrafast spin dynamics in ferromagnetic nickel // Phys. Rev. Lett. 1996. Vol. 76. P. 4250.

13. Kimel A. V., Kirilyuk A., Tsvetkov A. et al. Laser-induced ultrafast spin reorientation in the antiferromagnet TmFeO3 // Nature. 2004. Vol. 429. P. 850.

14. Ostler T. A., Barker J., Evans R.F.L. et al. Ultrafast heating as a sufficient stimulus for magnetization reversal in a ferrimagnet // Nat. Commun. 2012. Vol. 3. P. 666.

15. Kimel A. V., Kirilyuk A., Usachev P. A. et al. Ultrafast non-thermal control of magnetization by instantaneous photomagnetic pulses // Nature. 2005. Vol. 435. P. 655.

16. Stanciu C. D., Hansteen F., Kimel A. V. et al. All-optical magnetic recording with circularly polarized light // Phys. Rev. Lett. 2007. Vol. 99. P. 047601.

17. Pitaevskii L. P. Electric forces in a transparent dispersive medium // Sov. Phys. JETP. 1961. Vol. 12. P. 1008.

18. Pershan P. S. Nonlinear optical properties of solids: Energy considerations // Phys. Rev. 1963. Vol. 130. P. 919.

19. van der Ziel J. P., Pershan P. S., Malmstrom L. D. Optically-induced magnetization resulting from the inverse Faraday effect // Phys. Rev. Lett. 1965. Vol. 15. P. 190.

20. Reid A. H. M., Kimel A. V., Kirilyuk A. et al. Investigation of the femtosecond inverse Faraday effect using paramagnetic Dy3Al5O12 // Phys. Rev. B. 2010. Vol. 81. P. 104404.

21. Popova D., Bringer A., Blugel S. Theoretical investigation of the inverse Faraday effect via a stimulated Raman scattering process // Phys. Rev. B. 2012. Vol. 85. P. 094419.

22. Mikhaylovskiy R. V., Hendry E., Kruglyak V. V. Ultrafast inverse Faraday effect in a paramagnetic terbium gallium garnet crystal // Phys. Rev. B. 2012. Vol. 86. P. 100405(R).

23. Kimel A. E., Kirilyuk A., Rasing Th. Femtosecond opto-magnetism: ultra-fast laser manipulation of magnetic materials // Laser & Photon. Rev. 2007. Vol. 1. P. 275.

24. Beaurepaire E., Turner G. M., Harrel S. M. et al. Coherent terahertz emission from ferromagnetic films excited by femtosecond laser pulses // Appl. Phys. Lett. 2004. Vol.84. P. 3465.

25. Nishitani J., Kozuki K., Nagashima T., Hangyo M. Terahertz radiation from coherent antiferromagnetic magnons excited by femtosecond laser pulses // Appl. Phys. Lett. 2010. Vol. 96. P. 221906.

26. Nishitani J., Nagashima T., Hangyo M. Coherent control of terahertz radiation from antiferromagnetic magnons in NiO excited by optical laser pulses // Phys. Rev. B. 2012. Vol. 85. P. 174439.

27. Higuchi T., Kanda N., Tamaru H., Kuwata-Gonokami M. Selection rules for light-induced magnetization of a crystal with threefold symmetry: The case of antiferromagnetic NiO // Phys. Rev. Lett. 2011. Vol. 106. P. 047401.

28. Kanda N., Higuchi T., Shimizu H., et al. The vectorial control of magnetization by light // Nat. Commun. 2011. Vol. 2. P. 362.

29. Mikhaylovskiy R. V., Hendry E., Kruglyak V. V., Erratum: Ultrafast inverse Faraday effect in a paramagnetic terbium gallium garnet crystal [Phys. Rev. B 86, 100405(R) (2012)] // Phys. Rev. B. 2014. Vol. 90. P. 139903 (E).

30. Bakunov M. I., Mikhaylovskiy R. V., Bodrov S. B. Probing ultrafast opto-magnetism by terahertz Cherenkov radiation // Phys. Rev. B. 2012. Vol. 86. P. 134405.

31. Wu Q., Zhang X.-C. 7 terahertz broadband GaP electro-optic sensor //Appl. Phys. Lett. 1997. Vol. 70. P. 1784.

32. Valdmanis J. A., Mourou G., Gabel C. W. Picosecond electro-optic sampling system // Appl. Phys. Lett. 1982. Vol. 41. P. 211.

33. Nagai M., Tanaka K., Ohtake H. et al. Generation and detection of terahertz radiation by electro-optical process in GaAs using 1.56 ^m fiber laser pulses

// Appl. Phys. Lett. 2004. Vol. 85. P. 3974.

82

34. Tani M., Horita K., Kinoshita T. et al. Efficient electro-optic sampling detection of terahertz radiation via Cherenkov phase matching // Opt. Express. 2011. Vol. 19. P. 19901.

35. Mashkovich E. A., Shugurov A. I., Ozawa S. et al. Noncollinear electro-optic sampling of terahertz waves in a thick GaAs crystal // IEEE Trans. Terahertz Sci. Techn. 2015. Vol. 5. P. 732.

36. Han P. Y., Tani M., Pan F., Zhang X.-C. Use of the organic crystal DAST for terahertz beam applications // Opt. Lett. 2000. Vol. 25. P. 675.

37. Tani M., Kinoshita T., Nagase T. et al. Non-ellipsometric detection of terahertz radiation using heterodyne EO sampling in the Cherenkov velocity matching scheme // Opt. Express. 2013. Vol. 21. P. 9277.

38. Lee Y.-S., Meade T., Perlin V. et al. Generation of narrow-band terahertz radiation via optical rectification of femtosecond pulses in periodically poled lithium niobate // Appl. Phys. Lett. 2000. Vol. 76. P. 2505.

39. Lee Y.-S., Meade T., DeCamp M. et al. Temperature dependence of narrow-band terahertz generation from periodically poled lithium niobate // Appl. Phys. Lett. 2000. Vol. 77. P. 1244.

40. Vodopyanov K.L. Optical THz-wave generation with periodically-inverted GaAs // Laser & Photon. Rev. 2008. Vol. 2. P. 11.

41. Schaar J. E., Vodopyanov K. L., Kuo P. S. et al. Terahertz Sources Based on Intracavity Parametric Down-Conversion in Quasi-Phase-Matched Gallium Arsenide // IEEE J. Select. Top. Quantum Electron. 2008. Vol. 14. P. 354.

42. Wong S. T., Plettner T., Vodopyanov K. L. et al. Self-phase-locked degenerate femtosecond optical parametric oscillator // Opt. Lett. 2008. Vol. 33. P. 1896.

43. Wong S. T., Vodopyanov K. L., Byer R. L. Self-phase-locked divide-by-2 optical parametric oscillator as a broadband frequency comb source // J. Opt. Soc. Am. B. 2010. Vol. 27. P. 876.

44. Leindecker N., Marandi A., Byer R.L., Vodopyanov K. L. Broadband degenerate OPO for mid-infrared frequency comb generation // Opt. Express. 2011. Vol. 19. P. 6296.

45. Smolski V. O., Vasilyev S., Schunemann P. G. et al. Cr:ZnS laser-pumped subharmonic GaAs optical parametric oscillator with the spectrum spanning 3.6-5.6 ^m // Opt. Lett. 2015. Vol. 40. P. 2906.

46. Leindecker N., Marandi A., Byer R.L. et al. Octave-spanning ultrafast OPO with 2.6-6.1 ^m instantaneous bandwidth pumped by femtosecond Tm-fiber laser // Opt. Express. 2012. Vol. 20. P. 7047.

47. Marandi A., Leindecker N., Pervak V. et al. Coherence properties of a broadband femtosecond mid-IR optical parametric oscillator operating at degeneracy // Opt. Express. 2012. Vol. 20. P. 7255.

48. Lee K. F., Mohr C., Jiang J. et al. Midinfrared frequency comb from self-stable degenerate GaAs optical parametric oscillator // Opt. Express. 2015. Vol. 23. P. 26596.

49. Lee K. F., Jiang J., Mohr C. et al. Carrier envelope offset frequency of a doubly resonant, nondegenerate, mid-infrared GaAs optical parametric oscillator // Opt. Lett. 2013. Vol. 38. P. 1191.

50. Lee K. F., Granzow N., Schmidt M. A. et al. Midinfrared frequency combs from coherent supercontinuum in chalcogenide and optical parametric oscillation // Opt. Lett. 2014. Vol. 39. P. 2056.

51. Kleinman D. A., Auston D. H. Theory of electrooptic shock radiation in nonlinear optical media // IEEE J. Quantum Electron. 1984. Vol. QE-20. P. 964.

52. Ginzburg V. L., Tsytovich V. N. Transition Radiation and Transition Scattering // Hilger, Bristol, 1990.

53. Bakunov M. I., Bodrov S. B., Maslov A. V., Hangyo M. Theory of terahertz generation in a slab of electro-optic material using an ultrashort laser pulse focused to a line // Phys. Rev. B. 2007. Vol. 76. P. 085346.

54. Kuzel P., Khazan M. A., Kroupa J. Spatiotemporal transformations of ultrashort terahertz pulses // J. Opt. Soc. Am. B. 1999. Vol. 16. P. 1795.

55. Bakunov M. I., Bodrov S. B. Si-LiNbO3-air-metal structure for concentrated terahertz emission from ultrashort laser pulses // Appl. Phys. B. 2010. Vol.98. P. 1.

56. Hebling J., Yeh K.-L., Hoffmann M. C. et al. Generation of high-power terahertz pulses by tilted-pulse-front excitation and their application possibilities // J. Opt. Soc. Am. B. 2008. Vol. 25. P. B6.

57. Villora E. G., Molina P., Nakamura M. et al. Faraday rotator properties of {Tb3}[Sc195Lu005](Al3)O12, a highly transparent terbium-garnet for visible-infrared optical isolators // Appl. Phys. Lett. 2011. Vol. 99. P. 011111.

58. Wu Q., Zhang X.-C. Ultrafast electro-optic field sensors // Appl. Phys. Lett. 1996. Vol. 68. P. 1604.

59. Chen Q., Tani M., Jiang Z., Zhang X.-C. Electro-optic transceivers for terahertz-wave applications // J. Opt. Soc. Am. B. 2001. Vol. 18. P. 823.

60. Gallot G., Grischkowsky D. Electro-optic detection of terahertz radiation // J. Opt. Soc. Am. B. 1999. Vol. 16. P. 12041212.

61. Vodopyanov K. L. Optical generation of narrow-band terahertz packets in periodically-inverted electro-optic crystals: conversion efficiency and optimal laser pulse format // Opt. Express. 2006. Vol. 14. P. 2263.

62. Zelmon D. E., Small D. L., Jundt D. Infrared corrected Sellmeier coefficients for congruently grown lithium niobate and 5 mol.% magnesium oxide-doped lithium niobate // J. Opt. Soc. Am. B. 1997. Vol. 14. P. 33193322.

63. Palfalvi L., Hebling J., Kuhl J. et al. Temperature dependence of the absorption and refraction of Mg-doped congruent and stoichiometric LiNbO3 in the THz range // J. Appl. Phys. 2005. Vol. 97. P. 123505.

64. Tani M., Azuma S., Nagase T., et al. Frequency-resolved detection of broadband THz waves with Cherenkov-phase-matched heterodyne EO sam-

pling // Proceedings IRMMW-THz 2014, Tucson, USA, September 14-19, 2014.

65. Schliesser A., Picque N., Hänsch T.W. Mid-infrared frequency combs // Nature Photonics. 2012. Vol. 6. P. 440.

66. Mazzotti D., Cancio P., Giusfredi G. et al. Frequency-comb-based absolute frequency measurements in the mid-infrared with a difference-frequency spectrometer // Opt. Lett. Vol. 30. P. 997.

67. Adler F., Maslowski P., Foltynowicz A. et al. Mid-infrared Fourier transform spectroscopy with a broadband frequency comb // Opt. Express. Vol. 18. P. 21861.

68. Nugent-Glandorf L., Neely T., Adler F. et al. Mid-infrared virtually imaged phased array spectrometer for rapid and broadband trace gas detection // Opt. Lett. Vol. 37. P. 3285.

69. Keilmann F., Gohle C., Holzwarth R. Time-domain mid-infrared frequency-comb spectrometer // Opt. Lett. 2004. Vol. 29. P. 1542.

70. Bernhardt B., Sorokin E., Jacquet P. et al. Midinfrared dual-comb spectroscopy with 2.4 ^m Cr2+:ZnSe femtosecond lasers // Appl. Phys. B. 2010. Vol. 100. P. 3.

71. Jin Y.W., Cristescu S.M., Harren F.J.M., Mandon J. Femtosecond optical parametric oscillators toward real-time dual-comb spectroscopy // Appl. Phys. B. 2015. Vol. 119. P. 65.

72. Corkum P. B., Krausz F. Attosecond science // Nat. Phys. 2007. Vol. 3. P. 381.

73. Peralta E. A., Soong K., England R. J. et al. Demonstration of electron acceleration in a laser-driven dielectric microstructure // Nature. 2013. Vol. 503. P. 91.

74. Shen Y. R. The Principles of Nonlinear Optics. Wiley, New York, 1984.

Список публикаций по теме диссертации

[A1] Bakunov M.I., Mashkovich E.A., Tsarev M.V., Gorelov S.D. Efficient Cherenkov-type terahertz generation in Si-prism-LiNbO3-slab structure pumped by nanojoule-level ultrashort laser pulses // Appl. Phys. Lett. 2012. Vol. 101. P. 151102.

[A2] Gorelov S.D., Mashkovich E.A., Tsarev M.V., Bakunov M.I. Terahertz Cherenkov radiation from ultrafast magnetization in terbium gallium garnet // Phys. Rev. B. 2013. Vol. 88. P. 220411-1 - 220411-5.

[A3] Smolski V.O., Yang H., Gorelov S.D., Schunemann P.G., Vodopya-nov K.L. Coherence properties of a 2.6-7.5 ^m frequency comb produced as a subharmonic of a Tm-fiber laser // Opt. Lett. 2016. Vol. 41. P. 1388-1391.

[A4] Bakunov M.I., Gorelov S.D., Tani M. Nonellipsometric Noncolinear Electrooptic Sampling of Terahertz Waves: A Comprehensive Theory // IEEE Trans. Terahertz Sci. Techn. 2016. Vol. 6. P. 473.

[A5] Машкович Е.А., Бакунов М.И., Царев М.В., Горелов С.Д. Эффективная генерация терагерцового излучения в структуре «кремний-ниобат лития-воздух» фемтосекундными лазерными импульсами малой энергии // Труды XVI научной конференции по радиофизике, Нижний Новгород, 11-18 мая 2012 г., с. 174-175.

[A6] Bakunov M.I., Gorelov S.D., Mashkovich E.A., Tsarev M.V. Cherenkov-type terahertz emission spectroscopy of ultrafast optomagnetic phenomena // Program and Abstracts. The 5th International Workshop on Far-Infrared Technologies 2014, Fukui, Japan, March 5-7, 2014. Paper 6a-2.

[A7] Gorelov S.D., Mashkovich E.A., Tsarev M.V., Bakunov M.I. Terahertz Cherenkov Radiation from Ultrafast Magnetization in Terbium Gallium Garnet // OSA Technical Digest: Proceedings CLE0:2014, San-Jose, California, United States, 8-13 May, 2014. Paper FM4B.3.

[A8] Smolski V.O., Gorelov S.D., Zhao J., Xu J., Schunemann P.G., Vo-dopyanov K.L. Frequency Comb Spanning 2.5-7.5 ^m from a Subharmonic GaAs OPO and its Coherence Properties // OSA Technical Digest: Proceedings CLEO:2015, San-Jose, California, United States, 10-15 May, 2015. Paper STh1N.5.

[A9] Бакунов М.И., Машкович Е.А., Горелов С.Д., Tani M. Неколлине-арное электрооптическое стробирование терагерцовых волн // X Всероссийский семинар по радиофизике миллиметровых и субмиллиметровых волн, Нижний Новгород, 29 февраля - 3 марта 2016 г. Тезисы докладов. Нижний Новгород: ИПФ РАН, 2016. С. 15.