Doubling of THz emission in nonlinear borate crystals.pdf Введение Эффективные источники терагерцового (ТГц) излучения, перекрывающие широкие спектральные участки, представляют большой практический интерес, в частности для создания лидарных трассовых и дистанционных систем мониторинга состава и состояния атмосферы. Высокая проникающая способность ТГц-излучения в непроводящие и необводненные среды позволяет разработать системы лидарного типа для обнаружения и характеризации свойств скрытых в различных средах объектов, наличия дефектов, неоднородностей состава и температуры [1]. ТГц-излучение может быть получено традиционными методами нелинейной кристаллооптики: генерацией разностных частот лазеров от видимого до среднего ИК-диапазонов. К сожалению, высоконелинейные полупроводниковые кристаллы имеют низкие механические и тепловые свойства, а также лучевую стойкость. Кроме того, они характеризуются относительно большими, от сотых до десятых долей см-1, оптическими потерями на длинах волн накачки и особенно ТГц-излучения [2], что ограничивает выходные и эксплуатационные характеристики. Такое положение делает актуальным поиск новых нелинейных кристаллов и схем реализации надежных генераторов мощного ТГц-излучения. К настоящему времени освоено производство качественных большеразмерных, диаметром до 100-200 мм, образцов оксидных нелинейных кристаллов из химических элементов с малым атомным весом [3]. Обычно такие кристаллы имеют низкие нелинейные коэффициенты и обладают сложной структурой элементарных ячеек, состоящих из многих десятков атомов [4]. Это привело к изначально низкому интересу исследователей к их применению в ТГц-области спектра (первые работы появились лишь около 10 лет назад). На сегодняшний день в научной литературе опубликовано ограниченное число работ по свойствам и применению для генерации ТГц-излучения оксидных кристаллов. Вместе с тем благодаря большей (вплоть до нескольких порядков) лучевой стойкости по сравнению с известными полупроводниковыми (ZnGeP2, GaSe и др.) оксидные кристаллы имеют значительный потенциал использования для преобразования видимого и ИК-излу¬чения в ТГц-диапазон. Получение корректных данных о лучевой стойкости кристаллов - достаточно сложная задача. Поэтому количество таких данных крайне ограничено, а разброс значений составляет десятки раз. Так, для 10 нс импульсов накачки кристалла тетрабората лития Li2B4O7 (LB4) она определена как равная 1 [5] и 40 ГВт/см2 [6], а для кристалла бета-бората бария β-BaB2O4 (β-BBO) - как >1 ТВт/см2 для 100 фс импульсов накачки [7]. Для кристалла трибората лития LiB3O5 (LBO) при субфемтосекундной накачке приводятся данные от 0.3 до 47 ТВт/см2 [8]. Другой известный вариант получения излучения ТГц-области спектра - использование хорошо отработанных в техническом плане электронных источников длинноволнового, от миллиметровых волн и выше, излучения. Однако простая минимизация геометрических размеров резонаторов электронных источников приводит в итоге к радикальному падению выходных энергетических характеристик и/или неконтролируемой многомодовости получаемого выходного излучения. Энергетические характеристики становятся низкими, спектральный состав излучения сложным, а сами источники непригодными для решения многих прикладных задач. Таким образом, поиск путей создания эффективных и мощных источников ТГц-излучения остается актуальной задачей нелинейной оптики. В данной работе показана возможность получения эффективной генерации ТГц-излучения путем умножения частоты (ап-конверсии) электронных источников миллиметрового излучения при помощи нелинейных боратных кристаллов LB4, β-BBO, LBO, отличающихся высокой лучевой стойкостью. Приведено сравнение с применяющимся для ТГц-генерации [9] кристаллом ниобата лития LiNbO3 (LN). Физические свойства оксидных кристаллов в ТГц-диапазоне Основные известные оптические свойства из числа ответственных за эффективность преобразования частоты для исследуемых в работе боратных нелинейных кристаллов приведены в табл. 1. Кроме того, для сравнения в таблице даны свойства кристалла LN. Ниобат лития обладает радикально большими по сравнению с боратными кристаллами нелинейными коэффициентами, но это, скорее всего, указывает на существенно большие оптические потери, чем в легких оксидных кристаллах, и на необходимость их определения специальными методиками. Таблица 1 Физические свойства кристаллов в ТГц-диапазоне Кристалл ΔλTHz, мкм dij(THz), пм/В αvis, см-1 α2 мм, см-1 Порог разрушения, Bт/см2 Li2B4O7 (LB4) >600 (o) >400 (e) [10] d31 = 0.12 [11] 375 (e) [12] d22 = 2.46, d31 = -4.64 [2] ~ 0.002 [2] ~ 1 [12] ~ 0.3•109 (10 нс) [2] 3.7•109 (1 нс) [13] 40•1012 (50 фс) [14] β-BaB2O4 (β-BBO) >400 (o) >250 (e) [15] d22 = 2.2 d31 = -0.4 [16] 500 (x) >350 (y) >150 (z) [18] d31 = 0.67 d32 = -0.85 d33 = -0.04 [2] 0.00035 [2]

Скачать электронную версию публикации