МЕТОДЫ ГЕНЕРАЦИИ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫХ ТЕРАГЕРЦОВЫХ ИМПУЛЬСОВ ФЕМТОСЕКУНДНЫМИ ЛАЗЕРАМИ
ËÀÇÅÐÍÀß ÔÈÇÈÊÀ È ÒÅÕÍÈÊÀ
ÓÄÊ 535.14 + 621.3.029.66 + 621.373.826
ÌÅÒÎÄÛ ÃÅÍÅÐÀÖÈÈ ÑÂÅÐÕØÈÐÎÊÎÏÎËÎÑÍÛÕ ÒÅÐÀÃÅÐÖÎÂÛÕ ÈÌÏÓËÜÑÎÂ ÔÅÌÒÎÑÅÊÓÍÄÍÛÌÈ ËÀÇÅÐÀÌÈ
© 2008 ã. © 2008 ã. © 2008 ã.
Â. Ã. Áåñïàëîâ, äîêòîð ôèç.-ìàò. íàóê; À. À. Ãîðîäåöêèé; È. Þ. Äåíèñþê, äîêòîð ôèç.-ìàò. íàóê; Ñ. À. Êîçëîâ, äîêòîð ôèç.-ìàò. íàóê; Â. Í. Êðûëîâ, êàíä. ôèç.-ìàò. íàóê; Ã. Â. Ëóêîìñêèé; Í. Â. Ïåòðîâ; Ñ. Ý. Ïóòèëèí, êàíä. ôèç.-ìàò. íàóê
Ñàíêò-Ïåòåðáóðãñêèé ãîñóäàðñòâåííûé óíèâåðñèòåò èíôîðìàöèîííûõ òåõíîëîãèé, ìåõàíèêè è îïòèêè, Ñàíêò-Ïåòåðáóðã
 ðàáîòå ïðåäñòàâëåíû ýêñïåðèìåíòàëüíûå ðåçóëüòàòû è àíàëèç ìåòîäîâ ãåíåðàöèè òåðàãåðöîâîãî (ÒÃö) èçëó÷åíèÿ ñ èñïîëüçîâàíèåì ôåìòîñåêóíäíûõ ëàçåðíûõ èñòî÷íèêîâ: ãåíåðàöèÿ ôîòîïðîâîäÿùèìè ïîëóïðîâîäíèêîâûìè àíòåííàìè, íåëèíåéíî-îïòè÷åñêàÿ ãåíåðàöèÿ ðàçíîñòíîé ÷àñòîòû èëè îïòè÷åñêîå âûïðÿìëåíèå, ãåíåðàöèÿ ñ èñïîëüçîâàíèåì îïòè÷åñêîãî ïðîáîÿ â ãàçàõ ïîä äåéñòâèåì ôåìòîñåêóíäíûõ èìïóëüñîâ.  êà÷åñòâå ãåíåðàòîðîâ ÒÃö èçëó÷åíèÿ èñïîëüçîâàëèñü íåëåãèðîâàííûé ïîëóïðîâîäíèêîâûé êðèñòàëë àðñåíèäà èíäèÿ InAs, ïîìåùåííûé â ìàãíèòíîå ïîëå, ýëåêòðîîïòè÷åñêèé êðèñòàëë ZnTe, îðãàíè÷åñêèé êðèñòàëë DAST, îïòè÷åñêàÿ èñêðà â âîçäóõå.
Êîäû OCIS: 260.3090, 320.7110, 110.6795.
Ïîñòóïèëà â ðåäàêöèþ 22.05.2008.
Ââåäåíèå
Ñîçäàíèå ýôôåêòèâíîãî, ìîùíîãî, íåäîðîãîãî, êîìïàêòíîãî è ðàáîòàþùåãî ïðè êîìíàòíîé òåìïåðàòóðå èñòî÷íèêà ïðåäåëüíî êîðîòêèõ (äëèòåëüíîñòüþ â íåñêîëüêî êîëåáàíèé ñâåòîâîãî ïîëÿ) ñâåðõøèðîêîïîëîñíûõ òåðàãåðöîâûõ (ÒÃö) èìïóëüñîâ ÿâëÿåòñÿ îäíîé èç îñíîâíûõ çàäà÷ â ñîâðåìåííîé ôîòîíèêå [1]. Ýòî ñâÿçàíî ñ òåì, ÷òî ó ñâåðõøèðîêîïîëîñíîãî ÒÃö èçëó÷åíèÿ åñòü îãðîìíûé ïîòåíöèàë äëÿ øèðîêîé îáëàñòè òåõíè÷åñêèõ è íàó÷íûõ ïðèëîæåíèé: äèàãíîñòèêà ðàçëè÷íûõ ìàòåðèàëîâ, âêëþ÷àÿ ïîëóïðîâîäíèêè, õèìè÷åñêèå ñîåäèíåíèÿ, áèîìîëåêóëû è áèîòêàíè; ôîðìèðîâàíèå èçîáðàæåíèé, òîìîãðàôèÿ è èíòðàâèäåíèå äëÿ ìåäèöèíñêèõ öåëåé è öåëåé áåçîïàñíîñòè; äèñòàíöèîííûé êîíòðîëü è ìîíèòîðèíã îêðóæàþùåé ñðåäû; àñòðîíîìèÿ è äð. [2, 3]. Äåéñòâèòåëüíî, ÒÃö äèàïàçîí îõâàòûâàåò øèðîêóþ îáëàñòü êîëåáàòåëüíûõ, âðàùàòåëüíûõ è òðàíñëÿöèîííûõ ëèíèé øèðîêîãî êëàññà îðãàíè÷åñêèõ è áèîëîãè÷åñêèõ ìîëåêóë. Áåñïðåïÿòñòâåííîå ïðîíèêíîâåíèå ñêâîçü äûìû è òóìàíû, îäåæäó, áóìàãó, äåðåâî, ïëàñòìàññó, êåðàìèêó è äðóãèå ìàòåðèàëû âñëåäñòâèå ìàëîñòè ðýëååâñêîãî ðàññåÿíèÿ èçëó÷åíèÿ â ýòîì äèàïàçîíå îòêðûâàåò øèðîêèå âîçìîæíîñòè èíòðàâèäåíèÿ ñ ðàçðåøåíèåì âïëîòü äî 100 ìêì è âûñîêèì îòíîøåíèåì ñèãíàë/ øóì. Íåáîëüøàÿ ýíåðãèÿ ÒÃö êâàíòîâ è ñâÿçàííûé ñ ýòèì íåèîíèçóþùèé õàðàêòåð âîçäåéñòâèÿ ÒÃö
èçëó÷åíèÿ îòêðûâàþò øèðîêèå âîçìîæíîñòè äëÿ åãî èñïîëüçîâàíèÿ â áèîëîãèè è ìåäèöèíå.  òî æå âðåìÿ ýíåðãèÿ ÒÃö êâàíòîâ ñîîòâåòñòâóåò êîëåáàòåëüíîé ýíåðãèè âàæíûõ áèîëîãè÷åñêèõ ìîëåêóë, âêëþ÷àÿ ìîëåêóëû ÄÍÊ è ÐÍÊ, ÷òî ïîçâîëÿåò îñóùåñòâëÿòü öåëåíàïðàâëåííîå âîçäåéñòâèå íà íèõ êàê â èññëåäîâàòåëüñêèõ, òàê è â ìåäèöèíñêèõ öåëÿõ, ñòèìóëèðóÿ èëè ïîäàâëÿÿ ðàçâèòèå âèðóñîâ, êëåòîê è èõ êîìïîíåíòîâ. Íå ìåíåå ïåðñïåêòèâíûì, ñ òî÷êè çðåíèÿ ïðàêòèêè, ÿâëÿåòñÿ ïðèìåíåíèå ÒÃö èçëó÷åíèÿ â ìåäèöèíå äëÿ âèçóàëèçàöèè, ãîëîãðàôèðîâàíèÿ è òîìîãðàôèè òêàíåé, òåðàïèè è õèðóðãèè.
Çà ïîñëåäíèå ïÿòíàäöàòü ëåò âìåñòå ñ ðàçâèòèåì ôåìòîñåêóíäíûõ òâåðäîòåëüíûõ ëàçåðîâ (â îñîáåííîñòè ëàçåðîâ íà êðèñòàëëàõ ñàïôèðà, àêòèâèðîâàííûõ èîíàìè òèòàíà) è ìèêðîýëåêòðîíèêè â èññëåäîâàíèÿõ ÒÃö îáëàñòè íàìåòèëñÿ çíà÷èòåëüíûé ñäâèã.  íàñòîÿùåå âðåìÿ íàèáîëåå ðàçâèòû òðè ìåòîäà ïîëó÷åíèÿ ïðåäåëüíî êîðîòêèõ ÒÃö èìïóëüñîâ ñ èñïîëüçîâàíèåì ôåìòîñåêóíäíûõ ëàçåðíûõ èñòî÷íèêîâ: ãåíåðàöèÿ ôîòîïðîâîäÿùèìè àíòåííàìè, íåëèíåéíî-îïòè÷åñêàÿ ãåíåðàöèÿ ðàçíîñòíîé ÷àñòîòû èëè îïòè÷åñêîå âûïðÿìëåíèå, ãåíåðàöèÿ ñ èñïîëüçîâàíèåì îïòè÷åñêîãî ïðîáîÿ â ãàçàõ ïîä äåéñòâèåì ôåìòîñåêóíäíûõ èìïóëüñîâ. Äàííûå ìåòîäû ïîçâîëÿþò ïîëó÷àòü ÒÃö ýëåêòðîìàãíèòíîå èçëó÷åíèå ñ ïèêîâûìè àìïëèòóäàìè ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ äî 100 ê cì–1 ïðè èñïîëüçîâàíèè ôåìòîñåêóíäíûõ ëàçåðíûõ ñèñòåì ñ óñèëèòåëÿìè [4].
34 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 10, 2008
Îñíîâíûå ìåòîäû ãåíåðàöèè ñâåðõøèðîêîïîëîñíûõ ÒÃÖ èìïóëüñîâ
ôåìòîñåêóíäíûìè ëàçåðàìè
Ãåíåðàöèÿ ôîòîïðîâîäÿùèìè àíòåííàìè
Îäíèì èç ïåðâûõ áûë ðåàëèçîâàí ìåòîä ãåíåðàöèè ÒÃö èçëó÷åíèÿ ôîòîïðîâîäÿùåé àíòåííîé ïðè îáëó÷åíèè ôåìòîñåêóíäíûìè èìïóëüñàìè [5]. Ýôôåêò ãåíåðàöèè ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ ïîâåðõíîñòüþ ïîëóïðîâîäíèêà, êîòîðàÿ è ÿâëÿåòñÿ ôîòîïðîâîäÿùåé àíòåííîé, ïðè âîçáóæäåíèè åãî ñâåðõêîðîòêèìè ôåìòîñåêóíäíûìè èìïóëüñàìè îáúÿñíÿåòñÿ äèíàìèêîé îáðàçîâàíèÿ ôîòîíîñèòåëåé – ýëåêòðîííî-äûðî÷íûõ ïàð – è èõ ñâåðõáûñòðûì äâèæåíèåì â ïðèïîâåðõíîñòíîì ýëåêòðè÷åñêîì ïîëå. Ñîãëàñíî óðàâíåíèÿì Ìàêñâåëëà âîçíèêàþùèé ïðè ýòîì òîê J(t) âûçûâàåò ãåíåðàöèþ ýëåêòðîìàãíèòíîãî èìïóëüñà E(t) ~ ∂J/∂t, îáû÷íî â âèäå îäíîãî êîëåáàíèÿ ñî ñïåêòðîì, îïðåäåëÿåìûì ôóðüå-ïðåîáðàçîâàíèåì åãî âðåìåííîé ôîðìû. Òàêèì îáðàçîì, ïîâåðõíîñòü ïîëóïðîâîäíèêà ðàáîòàåò êàê äèíàìè÷åñêàÿ ôîòîïðîâîäÿùàÿ àíòåííà, èçëó÷àþùàÿ èìïóëüñû øèðîêîïîëîñíîãî ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ äëèòåëüíîñòüþ â ñîòíè ôåìòîñåêóíä. Öåíòðàëüíàÿ ÷àñòîòà ãåíåðèðóåìîãî ôîòîïîëóïðîâîäíèêàìè èçëó÷åíèÿ, êàê ïðàâèëî, íàõîäèòñÿ â ðàéîíå 1–2 ÒÃö.  êà÷åñòâå ãåíåðàòîðîâ ÒÃö èçëó÷åíèÿ øèðîêî èñïîëüçóþòñÿ ïîëóïðîâîäíèêîâûå êðèñòàëëû GaAs, InP è InAs [6]. Äëÿ óâåëè÷åíèÿ ýôôåêòèâíîñòè ÒÃö èçëó÷åíèÿ îáðàçöû êðèñòàëëîâ ïîìåùàþòñÿ â ñèëüíûå ýëåêòðè÷åñêèå èëè ìàãíèòíûå ïîëÿ [7]. Ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî ñîãëàñíî ìîäåëè [8] èíòåíñèâíîñòü ÒÃö èçëó÷åíèÿ ïðîïîðöèîíàëüíà âðåìåííûì ïðîèçâîäíûì îò êîíöåíòðàöèè ýëåêòðîííî-äûðî÷íûõ ïàð è èõ ñêîðîñòè äâèæåíèÿ â ýëåêòðè÷åñêîì èëè ìàãíèòíîì ïîëå, êîòîðàÿ îïðåäåëÿåòñÿ ïîäâèæíîñòüþ íîñèòåëåé çàðÿäà. Îäíèì èç íàèáîëåå âûñîêèõ çíà÷åíèé ïîäâèæíîñòè ýëåêòðîíîâ (ïîðÿäêà 3×104 ñì2/ ñ) îáëàäàþò íåëåãèðîâàííûå êðèñòàëëû àðñåíèäà èíäèÿ InAs, è èìåííî íà íèõ äîñòèãíóòà â íàñòîÿùåå âðåìÿ íàèáîëüøàÿ ýôôåêòèâíîñòü ïðåîáðàçîâàíèÿ èçëó÷åíèÿ ôåìòîñåêóíäíîãî ëàçåðà â ÒÃö èìïóëüñíîå èçëó÷åíèå [8].
Îïòè÷åñêîå âûïðÿìëåíèå
Áîëüøîå ïèêîâîå çíà÷åíèå ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ èçëó÷åíèÿ ôåìòîñåêóíäíîãî èìïóëüñà â âèäèìîì èëè áëèæíåì ÈÊ äèàïàçîíàõ ñïåêòðà ïîçâîëÿåò èñïîëüçîâàòü íåëèíåéíóþ âîñïðèèì÷èâîñòü âòîðîãî ïîðÿäêà χ(2) ýëåêòðîîïòè÷åñêèõ êðèñòàëëîâ äëÿ ãåíåðàöèè ÒÃö èçëó÷åíèÿ. Íåëèíåéíîå âçàèìîäåéñòâèå ìåæäó ëþáûìè äâóìÿ ÷àñòîòíûìè ñîñòàâëÿ-
þùèìè â ïðåäåëàõ ñïåêòðà ôåìòîñåêóíäíîãî èìïóëüñà îáóñëàâëèâàåò ïîëÿðèçàöèþ P(ωÒÃö) ñðåäû, â ðåçóëüòàòå êîòîðîé ïðîèñõîäèò èçëó÷åíèå ýëåêòðîìàãíèòíûõ âîëí íà ÷àñòîòå áèåíèé, ïðè÷åì ïîëÿðèçàöèÿ ñðåäû ïðîïîðöèîíàëüíà èíòåíñèâíîñòè ïàäàþùåãî èìïóëüñà, ò. å. â ÷àñòîòíîé îáëàñòè ìîæíî çàïèñàòü
P(ωÒÃö ) ~ χ(2) E(ω1)E(ω2 ) ~ χ(2) E02,
(1)
ãäå E(ω1) è E(ω2) ôóðüå-êîìïîíåíòû ñïåêòðà ôåìòîñåêóíäíîãî èìïóëüñà, à ωÒÃö = |ω1 – ω2|. Â äèïîëüíîì ïðèáëèæåíèè è â äàëüíåé çîíå äèôðàêöèè àì-
ïëèòóäà ÒÃö âîëíû ïðîïîðöèîíàëüíà âòîðîé ïðî-
èçâîäíîé ïî âðåìåíè îò îïòè÷åñêè íàâåäåííîé
ïîëÿðèçàöèè
EÒÃö
~
∂2 ∂t
P
2
.
Ïîñêîëüêó îáû÷íî øèðè-
íà ñïåêòðà (äëèòåëüíîñòü èìïóëüñà) ôåìòîñåêóíä-
íîãî èçëó÷åíèÿ ñîñòàâëÿåò 10 ÒÃö (100 ôñ), òî âåðõ-
íèé ïðåäåë øèðèíû ñïåêòðà è íèæíèé ïðåäåë äëè-
òåëüíîñòè èìïóëüñà ÒÃö èçëó÷åíèÿ äîëæíû ñîñòàâ-
ëÿòü ïðèáëèçèòåëüíî òå æå âåëè÷èíû.
Îïòè÷åñêîå âûïðÿìëåíèå èñïîëüçîâàëîñü äëÿ
ãåíåðàöèè ÒÃö èçëó÷åíèÿ âî ìíîãèõ ýëåêòðîîïòè-
÷åñêèõ êðèñòàëëàõ, òàêèõ êàê ZnSe, GaSe è ZnTe [9],
à òàêæå è â îðãàíè÷åñêîé èîííîé ñîëè N-4-äèìåòè-
ëàìèíî-4-N–ìåòèë-ñòèëáàçîë òîçèëàò (N-4-dime-
thylamino-4-N-methylstilbazolium tosylate, DAST)
[10]. Ïîìèìî âåëè÷èíû âîñïðèèì÷èâîñòè âòîðîãî
ïîðÿäêà, ýôôåêòèâíîñòü ïðåîáðàçîâàíèÿ â ÒÃö èç-
ëó÷åíèå çàâèñèò îò ñîîòíîøåíèÿ ôàç âçàèìîäåéñòâó-
þùèõ âîëí, ò. å. äîëæíî âûïîëíÿòüñÿ óñëîâèå ôà-
çîâîãî ñèíõðîíèçìà
Δk = k1 − k2 − kÒÃö = 0,
(2)
ãäå Δk – âîëíîâàÿ ðàññòðîéêà ìåæäó âîëíîâûìè âåêòîðàìè âîëí íàêà÷êè k1, k2 è âîëíîâûì âåêòîðîì ÒÃö èìïóëüñà kÒÃö. Âî ìíîãèõ íåëèíåéíûõ îïòè÷åñêèõ ìàòåðèàëàõ, íàïðèìåð, òàêèõ êàê LiNbO3, ôàçîâûé ñèíõðîíèçì ìåæäó ÒÃö âîëíîé è âîëíîé íàêà÷êè íå ìîæåò áûòü äîñòèãíóò â ñâÿçè ñ òåì, ÷òî ïîêàçàòåëü ïðåëîìëåíèÿ äàííûõ ìàòåðèàëîâ íà ÒÃö ÷àñòîòàõ çíà÷èòåëüíî áîëüøå, ÷åì ïîêàçàòåëü ïðåëîìëåíèÿ â âèäèìîì è áëèæíåì ÈÊ äèàïàçîíàõ ñïåêòðà. Ïîêàçàíî [11], ÷òî äëèíà êîãåðåíòíîãî âçàèìîäåéñòâèÿ (äëèíà êîãåðåíòíîñòè) lêîã çàâèñèò â áîëüøåé ñòåïåíè îò ðàññîãëàñîâàíèÿ ãðóïïîâîé ñêîðîñòè ôåìòîñåêóíäíîãî èìïóëüñà íàêà÷êè è ôàçîâîé ñêîðîñòè ÒÃö èìïóëüñà è îïðåäåëÿåòñÿ ñîîòíîøåíèåì
lêîã
=
ωÒÃö
πc (nãð −
, nÒÃö )
(3)
ãêäðåènñãòðà(ëλë)à=änë(ÿλ)ã−ðóλï⎜⎛⎝ï∂∂îλnâû⎟⎠⎞λõ–ñïêîîêðàîçñàòòååéëüôïåðìåòëîîñìåëêåóííèäÿ-
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 10, 2008
35
íîãî èìïóëüñà, nÒÃö – ïîêàçàòåëü ïðåëîìëåíèÿ ñðåäû íà ÒÃö ÷àñòîòå, ñ – ñêîðîñòü ñâåòà. Ôàçîâûé ñèíõðîíèçì íàáëþäàåòñÿ â òàêèõ íåëèíåéíûõ ìàòåðèàëàõ, êàê ZnTe, GaSe, DAST, â êîòîðûõ lêîã ñîñòàâëÿåò 0,1–1 ìì. Ñðåäè äàííûõ íåëèíåéíûõ ñðåä ñëåäóåò îòìåòèòü îðãàíè÷åñêèé êðèñòàëë DAST êàê èìåþùèé íàèáîëüøóþ íåëèíåéíóþ âîñïðèèì÷èâîñòü d111 = 1010 ïì/ íà äëèíå âîëíû 1318 íì [11]. Ìíîãèå ãðóïïû èññëåäîâàòåëåé èñïîëüçóþò êðèñòàëëû ZnTe, èìåþùèå íåëèíåéíóþ âîñïðèèì÷èâîñòü d14 = 4 ïì/ íà äëèíå âîëíû òèòàí-ñàïôèðîâîãî ëàçåðà λ = 800 íì, ïðè÷åì äëèíà êîãåðåíòíîñòè ïîçâîëÿåò ãåíåðèðîâàòü ýëåêòðîìàãíèòíûå êîëåáàíèÿ â äèàïàçîíå îò 0 äî 2 ÒÃö.
Ãåíåðàöèÿ ñ èñïîëüçîâàíèåì îïòè÷åñêîãî ïðîáîÿ
Ãåíåðàöèÿ ÒÃö èçëó÷åíèÿ ïðè ôîêóñèðîâêå îñíîâíîé è âòîðîé ãàðìîíèê ôåìòîñåêóíäíîãî ëàçåðà â âîçäóõå – îäèí èç ñàìûõ íîâûõ ñïîñîáîâ ãåíåðàöèè ÒÃö èçëó÷åíèÿ, íå òðåáóþùèõ íàëè÷èÿ êàêîé-ëèáî ñïåöèàëüíîé ñðåäû. Ñóùåñòâóåò íåñêîëüêî îáúÿñíåíèé ìåõàíèçìà ãåíåðàöèè. Òàê, àâòîðû [12] ñâÿçûâàþò ïîÿâëåíèå èçëó÷åíèÿ ðàçíîñòíîé ÷àñòîòû ñ ÷åòûðåõâîëíîâûì ñìåøåíèåì èçëó÷åíèÿ ïåðâîé è âòîðîé ãàðìîíèê ôåìòîñåêóíäíîãî ëàçåðà íàêà÷êè íà ïëàçìåííîé íåëèíåéíîñòè òðåòüåãî ïîðÿäêà χ(3). Ïðîöåññ îïèñûâàåòñÿ ñëåäóþùèì îáðàçîì: ïîëÿðèçàöèÿ íà ÒÃö ÷àñòîòå P(ωÒÃö) âîçíèêàåò ïðè âçàèìîäåéñòâèè òðåõ âîëí – äâóõ âîëí íàêà÷êè îñíîâíîé ÷àñòîòû E(ω1), E(ω2) è âîëíû âòîðîé ãàðìîíèêè E(2ω), ò. å.
P(ωÒÃö ) ~ χi(,3j),k,l E(2ω)E(ω1)E(ω2 ).
(4)
Ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî äëÿ ïîÿâëåíèÿ ÒÃö èçëó÷åíèÿ â äàííîì ñëó÷àå íåîáõîäèìî íàëè÷èå ïëàçìû (îïòè÷åñêîãî ïðîáîÿ ãàçà) – ïîÿâëåíèÿ ñâîáîäíûõ ýëåêòðîíîâ. Äðóãîå îáúÿñíåíèå ýôôåêòà äàíî íà îñíîâå ìîäåëè ïîïåðå÷íîãî ïëàçìåííîãî òîêà, âîçíèêàþùåãî âñëåäñòâèå âûñâîáîæäåíèÿ ýëåêòðîíîâ èç ìîëåêóë ãàçà ïîñðåäñòâîì òóííåëüíîé èîíèçàöèè. Ïîÿâèâøèåñÿ ýëåêòðîíû óñêîðÿþòñÿ â àñèììåòðè÷íîì ëàçåðíîì ïîëå, îáðàçîâàííîì ñëîæåíèåì êîëåáàíèé ïåðâîé è âòîðîé ãàðìîíèê [13], ÷òî ïðèâîäèò ê ïîÿâëåíèþ íåíóëåâîé ïðîåêöèè ñêîðîñòè â ïîïåðå÷íîì íàïðàâëåíèè – ïîïåðå÷íîìó òîêó. Ïîñêîëüêó ïðîöåññ ñèëüíî íåñòàöèîíàðíûé è ïðîèñõîäèò â ìîìåíò äåéñòâèÿ èìïóëüñà ëàçåðà (τ < 50 ôñ), òîê J(t) âûçûâàåò ãåíåðàöèþ ýëåêòðîìàãíèòíîãî èìïóëüñà E(t) ~ ∂J/∂t, òàêèì îáðàçîì ãåíåðèðóÿ ýëåêòðîìàãíèòíûé èìïóëüñ íà ÒÃö ÷àñòîòàõ.
Ïîñðåäñòâîì äàííîãî ñïîñîáà áûëè ïîëó÷åíû ÒÃö èìïóëüñû ñ ýíåðãèåé â íåñêîëüêî ìèêðîäæîó-
ëåé, øèðèíîé ïîëîñû ãåíåðàöèè 70 ÒÃö è íàïðÿæåííîñòüþ ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ îêîëî 100 êÂ/ñì íà ÷àñòîòå 2 ÒÃö [14].
Ýêñïåðèìåíòàëüíàÿ óñòàíîâêà
Ýêñïåðèìåíòû ïî ãåíåðàöèè ÒÃö èçëó÷åíèÿ ïðîâîäèëèñü ñ èñïîëüçîâàíèåì äâóõ ëàçåðíûõ ôåìòîñåêóíäíûõ ñèñòåì: ëàçåðíîé ñèñòåìû ñ àêòèâíîé ñðåäîé íà îñíîâå êðèñòàëëîâ ñàïôèðà ñ òèòàíîì ïî ñõåìå çàäàþùèé ãåíåðàòîð–ñòðåò÷åð–8-ïðîõîäîâûé óñèëèòåëü–êîìïðåññîð (â äàëüíåéøåì ÔËÑ) (ðèñ. 1) è ôåìòîñåêóíäíîé âîëîêîííîé ñèñòåìû (ÔÂÑ), îñíîâàííîé íà âîëîêíàõ, ëåãèðîâàííûõ ýðáèåì, EFOA-SH.
 êà÷åñòâå çàäàþùåãî ãåíåðàòîðà (ÇÃ) ÔËÑ ìû èñïîëüçîâàëè ôåìòîñåêóíäíûé ëàçåð íà êðèñòàëëå ñàïôèðà ñ òèòàíîì “Ôåìîñ-2” ñ ïàðàìåòðàìè: ïîëóøèðèíà ñïåêòðà ãåíåðàöèè 40 íì, äëèòåëüíîñòü îäèíî÷íîãî èìïóëüñà îêîëî 20 ôñ, ÷àñòîòà ñëåäîâàíèÿ èìïóëüñîâ 80 ÌÃö, ýíåðãèÿ îäèíî÷íîãî èìïóëüñà 1,25 íÄæ, ñðåäíÿÿ ìîùíîñòü èçëó÷åíèÿ 100 ìÂò. Èçëó÷åíèå Çà òàêæå èñïîëüçîâàëîñü â ýêñïåðèìåíòàõ ïî ãåíåðàöèè ÒÃö èçëó÷åíèÿ.
Âåðòèêàëüíàÿ ïîëÿðèçàöèÿ èçëó÷åíèÿ íà âûõîäå ëàçåðà Ôåìîñ-2 ïîâîðà÷èâàëàñü íà 90° ñ ïîìîùüþ çåðêàëüíîãî âðàùàòåëÿ ïîëÿðèçàöèè ÔÇ è äàëåå ôåìòîñåêóíäíûé èìïóëüñ îò Çà ïîïàäàåò â ñòàíäàðòíûé äâóõïðîõîäîâûé ñòðåò÷åð, èñïîëüçóþùèé òîëüêî îòðàæàòåëüíóþ îïòèêó, ãäå ðàñòÿãèâàåòñÿ ïî âðåìåíè ïðèáëèçèòåëüíî äî 60 ïñ. Ñòðåò÷åð ñîñòîèò èç äèôðàêöèîííîé ðåøåòêè 600 øò/ìì, ñôåðè÷åñêîãî çåðêàëà ñ ôîêóñîì 750 ìì è äâóõ ïëîñêèõ çåðêàë.
Äëÿ ïðåäîòâðàùåíèÿ âëèÿíèÿ óñèëåííîé ëþìèíåñöåíöèè èç ìíîãîïðîõîäîâîãî óñèëèòåëÿ íà ðàáîòó Çà ïîñëå ñòðåò÷åðà â ñõåìå ðàñïîëîæåí áëîê îïòè÷åñêîé ðàçâÿçêè – øèðîêîïîëîñíûé èçîëÿòîð Ôàðàäåÿ. Çà èçîëÿòîðîì Ôàðàäåÿ èç ïîñëåäîâàòåëüíîñòè èìïóëüñîâ äëèòåëüíîñòüþ 60 ïñ ñ ÷àñòîòîé ñëåäîâàíèÿ 80 ÌÃö ÿ÷åéêà Ïîêêåëüñà âûäåëÿåò öóã îïòè÷åñêèõ èìïóëüñîâ ñ ÷àñòîòîé ñëåäîâàíèÿ 50 Ãö (÷àñòîòà ðàáîòû ëàçåðà íàêà÷êè óñèëèòåëÿ).
Âûäåëåííûé öóã èìïóëüñîâ ïîïàäàåò â ìíîãîïðîõîäîâûé òåëåñêîïè÷åñêèé óñèëèòåëü, ãäå 8 ðàç ïðîõîäèò ÷åðåç àêòèâíóþ ñðåäó (êðèñòàëë ñàïôèðà ñ òèòàíîì). Ñèíõðîííî íà êðèñòàëë ïîäàåòñÿ èìïóëüñ èçëó÷åíèÿ âòîðîé ãàðìîíèêè ëàìïîâîãî Nd:YAGëàçåðà äëèòåëüíîñòüþ 12 íñ è ýíåðãèåé äî 14 ìÄæ. Äëÿ ïëàâíîãî èçìåíåíèÿ ýíåðãèè èìïóëüñà íàêà÷êè èñïîëüçóåòñÿ àòòåíþàòîð, ñîñòîÿùèé èç êâàðöåâîãî âðàùàòåëÿ ïîëÿðèçàöèè S1 è ïîëÿðèçàòîðà S2. Äëÿ òîãî ÷òîáû äîñòèãíóòü óñèëåíèÿ îäèíî÷íîãî 60 ïñ èìïóëüñà â 106 ðàç, íàêà÷êà îáåñïå÷èâàåò ïëîòíîñòü
36 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 10, 2008
M6
MA6 MA8
MA6 MA1 L3
MS5
MS3 F1
PC
TiSa MA8
à GS
Ï
MA3
MA4
MA7
L6
MA2
MS4
MS1 MS2 SM
MP2
MC2 MC1
L5
L4
GC2
SP C2
ME1 AC
SOLAR LQ-129
Ì5
L2 R1 Ñ1
Ì3
Ì4 L1
FD2 FD1
Ôåìîñ-2 SP
STABILITE 2017
Ì2 Ì1
S1 S2 MP1
GC1
Ðèñ. 1. Îïòè÷åñêàÿ áëîê-ñõåìà òèòàí-ñàïôèðîâîé ôåìòîñåêóíäíîé ëàçåðíîé ñèñòåìû. M1–M6 – ïëîñêèå çåðêàëà, C1, C2 – êëèíîâèäíûå ïîäëîæêè, R1 – çåðêàëüíûé âðàùàòåëü ïîëÿðèçàöèè, L1– L3 – ëèíçû, SP – ñïåêòðîìåòðû ASP100, FD1, FD2 – áûñòðûå ôîòîäèîäû; GS – ðåøåòêà ñòðåò÷åðà, SM – ñôåðè÷åñêîå çåðêàëî ñòðåò÷åðà, MS1– MS5 – ïëîñêèå çåðêàëà ñòðåò÷åðà, ÌA1–MA3, MA6 – ïëîñêèå çåðêàëà óñèëèòåëÿ; FI – èçîëÿòîð Ôàðàäåÿ, PC – ÿ÷åéêà Ïîêêåëüñà, à – ïîëÿðèçàòîð, Ï – çåðêàëüíûé ïåðèñêîï, MA4, MA5 – ñôåðè÷åñêèå çåðêàëà ìíîãîïðîõîäîâîãî óñèëèòåëÿ; TiSa – êðèñòàëë òèòàí-ñàïôèðà, ÌA7, ÌA8 – çåðêàëüíûé òåëåñêîï; S1 – âðàùàòåëü ïîëÿðèçàöèè, S2 – ïîëÿðèçàòîð; MP1, MP2 – ïëîñêèå çåðêàëà; L4, L5 – ëèíçîâûé òåëåñêîï; L6 – ëèíçà, ôîêóñèðóþùàÿ íàêà÷êó íà êðèñòàëë; GC1, GC2 – ðåøåòêè êîìïðåññîðà; MC1, MC2 – ïëîñêèå çåðêàëà; Ê – çåðêàëüíûé óãîëêîâûé îòðàæàòåëü, MÅ1 – ïëîñêîå çåðêàëî, ÀC – àâòîêîðåëÿòîð ASF-20.
K
ýíåðãèè â êðèñòàëëå óñèëèòåëÿ ïîðÿäêà 4 Äæ/ñì2 â ïó÷êå äèàìåòðîì 600–700 ìêì, ÷òî ñîîòâåòñòâóåò
óñèëåíèþ ïîëÿ ïðèáëèçèòåëüíî â 8 ðàç çà ïåðâûé
ïðîõîä â óñèëèòåëå.
Ïîñëå óñèëèòåëÿ èçëó÷åíèå ïîñòóïàåò íà êîìï-
ðåññîð, ñîñòîÿùèé èç äâóõ äèôðàêöèîííûõ ðåøå-
òîê è âåðòèêàëüíîãî óãîëêîâîãî îòðàæàòåëÿ äëÿ
îáåñïå÷åíèÿ äâîéíîãî ïðîõîäà ÷åðåç ðåøåòêè. Ïó-
÷îê, âûõîäÿùèé èç êîìïðåññîðà, ðàñïðîñòðàíÿåòñÿ
ïàðàëëåëüíî âõîäíîìó ïó÷êó.
Èçëó÷åíèå, âûøåäøåå èç êîìïðåññîðà, àíàëèçè-
ðîâàëîñü ñ ïîìîùüþ ñïåêòðîìåòðà ASP100 è îäíî-
èìïóëüñíîãî ôåìòîñåêóíäíîãî àâòîêîððåëÿòîðà;
èçìåðåíèÿ ñðåäíåé ìîùíîñòè ïðîâîäèëèñü ñ èñ-
ïîëüçîâàíèåì êàëèáðîâàííûõ êàëîðèìåòðîâ èëè
ïîëóïðîâîäíèêîâûõ ôîòîïðèåìíèêîâ.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 10, 2008
37
Íà âûõîäå ÔËÑ èìïóëüñû èçëó÷åíèÿ èìåëè ñëåäóþùèå ïàðàìåòðû:
– äëèòåëüíîñòü 30–40 ôñ, – øèðèíà ñïåêòðà èçëó÷åíèÿ (ïî ïîëîâèííîìó óðîâíþ èíòåíñèâíîñòè) ìåíåå 30 íì, – ýíåðãèÿ â îäèíî÷íîì ëàçåðíîì èìïóëüñå íå ìåíåå 1 ìÄæ, – äèàìåòð ïó÷êà íà âûõîäå èç êîìïðåññîðà (ïî ïîëîâèííîìó óðîâíþ èíòåíñèâíîñòè) 5 ìì, – ðàñõîäèìîñòü èçëó÷åíèÿ íå õóæå 10–3 ðàä, – ÷àñòîòà ñëåäîâàíèÿ èìïóëüñîâ 50 Ãö. Äëÿ ïðåîáðàçîâàíèÿ âî âòîðóþ ãàðìîíèêó (λ = = 400 íì) èçëó÷åíèÿ ÔËÑ èñïîëüçîâàëñÿ íåëèíåéíî-îïòè÷åñêèé êðèñòàëë áåòà-áîðàòà áàðèÿ (β-BBO) òîëùèíîé 200 ìêì, ýôôåêòèâíîñòü ïðåîáðàçîâàíèÿ ïðè ýòîì äîñòèãàëà 25%. Ôåìòîñåêóíäíàÿ âîëîêîííàÿ ñèñòåìà EFOA–SH èñïîëüçóåò â êà÷åñòâå àêòèâíîé ñðåäû âîëîêíà, ëåãèðîâàííûå èîíàìè Er 3+, è âêëþ÷àåò çàäàþùèé êîëüöåâîé âîëîêîííûé ëàçåð ñ ïàññèâíîé ñèíõðîíèçàöèåé ìîä, âîëîêîííûé óñèëèòåëü ñ íàêà÷êîé äâóìÿ ëàçåðíûìè äèîäàìè, ïðèçìåííûé êîìïðåññîð äëÿ âðåìåííîãî ñæàòèÿ èìïóëüñîâ ïîñëå óñèëèòåëÿ è áëîêà óäâîåíèÿ îïòè÷åñêîé ÷àñòîòû. Íà âûõîäå ñèñòåìû èìïóëüñû èìåþò ñëåäóþùèå ïàðàìåòðû: äëèíû âîëí – 1560 è 780 íì, äëèòåëüíîñòü îäèíî÷íîãî èìïóëüñà ìåíåå 120 ôñ, øèðèíà ñïåêòðà ïðèìåðíî 7,5 íì, ÷àñòîòà ñëåäîâàíèÿ – 50 ÌÃö, ñòàáèëüíîñòü ÷àñòîòû ñëåäîâàíèÿ – 0,0001%, ñðåäíÿÿ âûõîäíàÿ ìîùíîñòü áîëåå 120 ìÂò äëÿ λ = 1560 íì, áîëåå 40 ìÂò äëÿ λ = 780 íì; ýíåðãèÿ îäèíî÷íîãî èìïóëüñà – 2,4 íÄæ äëÿ λ = 1560 íì, 0,8 íÄæ äëÿ λ = 780 íì; äèàìåòð ïó÷êà íà âûõîäå ñèñòåìû – 5 ìì. Îáîáùåííàÿ ñõåìà óñòàíîâêè äëÿ ãåíåðàöèè ÒÃö èçëó÷åíèÿ ñ èñïîëüçîâàíèåì ðàçëè÷íûõ ìåòîäîâ ïðèâåäåíà íà ðèñ. 2. Äèàìåòð ïó÷êà ÒÃö èçëó÷åíèÿ ñ öåíòðàëüíîé äëèíîé âîëíû λ íà ðàññòîÿíèè L îò èçëó÷àþùåé ïîâåðõíîñòè ãåíåðàòîðà ìîæíî îöåíèòü ïî ôîðìóëå D(L) = Lsinθ, ãäå θ = 1,22λ/2r0 – äèôðàêöèîííàÿ ðàñõîäèìîñòü ïó÷êà ðàäèóñîì r0, êîòîðûé îïðåäåëÿåòñÿ ðàçìåðîì âîçáóæäàåìîé îáëàñòè. Âû÷èñëåíèÿ ïîêàçûâàþò, ÷òî äëÿ λ = 300 ìêì (1 ÒÃö) è 2r0 = 500 ìêì íà ðàññòîÿíèè 120 ìì îò ãåíåðàòîðà ÒÃö èçëó÷åíèÿ ïó÷îê èìååò äèàìåòð 80 ìì. Ïîýòîìó äëÿ ïðîâåäåíèÿ ýêñïåðèìåíòîâ ñ ýòèì èçëó÷åíèåì ìû èñïîëüçîâàëè ïàðàáîëè÷åñêèå çåðêàëà ñ ãëàâíûì ôîêóñîì 120 ìì è àïåðòóðîé 90 ìì. Ôèëüòð èç ÷åðíîãî òåôëîíà èñêëþ÷àë ïîïàäàíèå íà äåòåêòîð îïòèêî-àêóñòè÷åñêîãî ïðèåìíèêà (ÎÀÏ) èçëó÷åíèÿ íàêà÷êè. Èçìåðåíèå ñðåäíåé ìîùíîñòè ãåíåðèðóåìîãî ÒÃö èçëó÷åíèÿ ïðîâîäèëîñü íåñåëåê-
(à) 87
6
5 4
3
9 2
(á) InAs′
(â)
1
Ðèñ. 2. à – îïòè÷åñêàÿ ñõåìà äëÿ èçìåðåíèÿ ñðåäíåé ìîùíîñòè ÒÃö èçëó÷åíèÿ. 1 – ÔËÑ, 2 – ìîäóëÿòîð, 3 – ëèíçà, 4 – êðèñòàëë β-ÂÂÎ, 5 – ãåíåðàòîð ÒÃö èçëó÷åíèÿ, 6 è 8 – ïàðàáîëè÷åñêèå çåðêàëà, 7 – ôèëüòð, 9 – ÎÀÏ. á – ìàãíèòíàÿ ñèñòåìà, â êîòîðóþ ïîìåùàëñÿ îáðàçåö; â – êðèñòàëë N-4-äèìåòèëàìèíî-4-N–ìåòèë-ñòèëáàçîë òîçèëàòà (DAST).
òèâíûì ÎÀÏ ñ âíóòðåííèìè ôèëüòðàìè, ïðîïóñêàþùèìè ýëåêòðîìàãíèòíîå èçëó÷åíèå â äèàïàçîíå 50– 600 ìêì. ÎÀÏ ïðåäñòàâëÿë ñîáîé ãåðìåòè÷íóþ êàìåðó, çàïîëíåííóþ êñåíîíîì, â êîòîðîé ðàñïîëàãàëèñü ñïåêòðàëüíî-íåñåëåêòèâíûé ïîãëîòèòåëü èçëó÷åíèÿ è îïòè÷åñêèé ìèêðîôîí. Ýëåêòðè÷åñêèé ñèãíàë ñ îïòè÷åñêîãî ìèêðîôîíà ïîñòóïàë íà óñèëèòåëü ñ êîýôôèöèåíòîì óñèëåíèÿ äî 104 è çàòåì íà ñèíõðîííûé äåòåêòîð, ñâÿçàííûé ñ ìîäóëÿòîðîì âõîäíîãî îïòè÷åñêîãî èçëó÷åíèÿ. Ìèíèìàëüíûé óðîâåíü ìîùíîñòè, ðåãèñòðèðóåìîé âûøåîïèñàííîé ïðèåìíîé ñèñòåìîé, ñîñòàâëÿë ïðèìåðíî 1 íÂò.
Äëÿ ñîçäàíèÿ ìàãíèòíîãî ïîëÿ, ïàðàëëåëüíîãî ïîâåðõíîñòè ïîëóïðîâîäíèêîâîãî êðèñòàëëà, êîòîðîå íàèáîëåå ýôôåêòèâíî äëÿ ãåíåðàöèè ÒÃö èçëó÷åíèÿ, îáðàçåö ïîìåùàëñÿ â ñïåöèàëüíî ðàçðàáîòàííóþ ìàãíèòíóþ ñèñòåìó íà îñíîâå êîìïîçèòà Nd:B:Fe ñ íàïðÿæåííîñòüþ ìàãíèòíîãî ïîëÿ 1,8 êÝ â òî÷êå âîçáóæäåíèÿ ÒÃö èçëó÷åíèÿ (ðèñ. 2á). Ìàãíèòíàÿ ñèñòåìà ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé âåðòèêàëüíûé öèëèíäð äèàìåòðîì 100 ìì è âûñîòîé 140 ìì ñ äâóìÿ ãîðèçîíòàëüíûìè êëèíîâèäíûìè âûåìêàìè, ñî-
38 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 10, 2008
îáùàþùèìèñÿ â öåíòðå ìàãíèòíîé ñèñòåìû, âûñîòîé 10,5 ìì. Ïîëóïðîâîäíèêîâûé êðèñòàëë ðàçìåùàëñÿ â öåíòðå öèëèíäðà íà åãî îñè ñ òàêèì ðàñ÷åòîì, ÷òîáû èçëó÷åíèå íàêà÷êè ïàäàëî íà íåãî ÷åðåç îäíî îòâåðñòèå, à îòðàæåííîå è ÒÃö èçëó÷åíèå âûõîäèëî ÷åðåç äðóãîå.
 êà÷åñòâå ãåíåðàòîðîâ ÒÃö èçëó÷åíèÿ ìû èñïîëüçîâàëè íåëåãèðîâàííûé ïîëóïðîâîäíèêîâûé êðèñòàëë àðñåíèäà èíäèÿ InAs, ïîìåùåííûé â ìàãíèòíîå ïîëå; ýëåêòðîîïòè÷åñêèé êðèñòàëë ZnTe; îðãàíè÷åñêèé êðèñòàëë DAST (ðèñ. 2â); îïòè÷åñêóþ èñêðó â âîçäóõå.
Ïðè ôîêóñèðîâêå èìïóëüñîâ ÔËÑ ñ ýíåðãèåé
îäèíî÷íîãî èìïóëüñà äî 1 ìÄæ è ñðåäíåé ìîùíîñ-
òüþ äî 50 ìÂò íà ïîâåðõíîñòü InAs â ìàãíèòíîé
ñèñòåìå ïðîèñõîäèëî óâåëè÷åíèå ìàêñèìàëüíîé ýôôåêòèâíîñòè ïðåîáðàçîâàíèÿ äî η ≈ 10–5. Ïðè èñ-
ñëåäîâàíèè çàâèñèìîñòè ñðåäíåé ìîùíîñòè ÒÃö
èçëó÷åíèÿ îò ñðåäíåé ìîùíîñòè îò÷åòëèâî íàáëþ-
äàëîñü íàñûùåíèå ïðè ïëîòíîñòè ìîùíîñòè èçëó÷åíèÿ 10–4 Äæ/ñì2 èëè ïðè ïîòîêå èçëó÷åíèÿ 1014 ôîòîíîâ/ñì2, ïðèáëèçèòåëüíî ñîîòâåòñòâóþùåé
êîëè÷åñòâó îñíîâíûõ íîñèòåëåé â ïðèïîâåðõíîñò-
íîì ñëîå êðèñòàëëà.
Ýêñïåðèìåíòàëüíûå ðåçóëüòàòû
Ôîòîïðîâîäÿùàÿ àíòåííà
 êà÷åñòâå ÒÃö ãåíåðàòîðà èçëó÷åíèÿ èñïîëüçîâàëñÿ íåëåãèðîâàííûé êðèñòàëë àðñåíèäà èíäèÿ InAs, âûðåçàííûé â ïëîñêîñòè [100] è ïðåäñòàâëÿþùèé ñîáîé ïëàñòèíó ðàçìåðàìè 5×5 ìì è òîëùèíîé 300 ìêì. Êîíöåíòðàöèÿ îñíîâíûõ íîñèòåëåé â êðèñòàëëå ñîñòàâëÿëà ïðèìåðíî 3×1016 ñì–3, ïîäâèæíîñòü ýëåêòðîíîâ – 3×104 ñì2/ ñ.
Äëÿ óâåëè÷åíèÿ ïëîòíîñòè ýíåðãèè èçëó÷åíèå ôåìòîñåêóíäíîãî ëàçåðà ëèíçîé ñ f = 100 ñì ôîêóñèðîâàëîñü íà ïîâåðõíîñòè êðèñòàëëà â ïÿòíî äèàìåòðîì 500 ìêì, ïðè ýòîì ïëîñêîñòü êðèñòàëëà InAs ðàñïîëàãàëàñü ïîä óãëîì 45° ê ïàäàþùåìó ïó÷êó, ïîñêîëüêó âñëåäñòâèå áîëüøîãî çíà÷åíèÿ ïîêàçàòåëÿ ïðåëîìëåíèÿ äëÿ äàëüíåãî ÈÊ äèàïàçîíà ÒÃö èçëó÷åíèå èñïûòûâàåò ïîëíîå âíóòðåííåå îòðàæåíèå è îòðàæåííîå èçëó÷åíèå ìîæåò áûòü ïîëíîñòüþ íàïðàâëåíî íà ïàðàáîëè÷åñêîå çåðêàëî.
Ïðè ôîêóñèðîâêå èìïóëüñîâ Çà ÔËÑ ñ ýíåðãèåé îäèíî÷íîãî èìïóëüñà äî 1 íÄæ è ñðåäíåé ìîùíîñòüþ 50 ìÂò íà ïîâåðõíîñòü InAs áåç ìàãíèòíîãî ïîëÿ ðåãèñòðèðîâàëîñü ÒÃö èçëó÷åíèå ñî ñðåäíåé ìîùíîñòüþ 2 íÂò. Ïîìåùåíèå InAs â ìàãíèòíîå ïîëå íàïðÿæåííîñòüþ 1,8 êÝ â íàïðàâëåíèè, ïàðàëëåëüíîì ïîâåðõíîñòè êðèñòàëëà, ïðèâîäèëî ê óâåëè÷åíèþ ìîùíîñòè ãåíåðèðóåìîãî èçëó÷åíèÿ äî 150 íÂò. Çàâèñèìîñòü ñðåäíåé ìîùíîñòè ÒÃö èçëó÷åíèÿ îò ñðåäíåé ìîùíîñòè íàêà÷êè êâàäðàòè÷íà, ÷òî ñîãëàñóåòñÿ ñ äàííûìè ýêñïåðèìåíòà [8] è òåîðèè [15] ïðè çíà÷åíèÿõ ïëîòíîñòè ýíåðãèè îïòè÷åñêîãî âîçáóæäåíèÿ íèæå ïëîòíîñòè íàñûùåíèÿ. Ìàêñèìàëüíàÿ ýôôåêòèâíîñòü ïðåîáðàçîâàíèÿ η, îïðåäåëÿåìàÿ êàê îòíîøåíèå èçëó÷àåìîé ñðåäíåé ìîùíîñòè ÒÃö èçëó÷åíèÿ WÒÃö ê ñðåäíåé ìîùíîñòè ïàäàþùåãî íà êðèñòàëë îïòè÷åñêîãî èçëó÷åíèÿ W0, áûëà ïîëó÷åíà ïðè çíà÷åíèè W0 = 100 ìÂò è ñîñòàâëÿëà η ≈ 10–6.
Îïòè÷åñêîå âûïðÿìëåíèå
Ïðè ôîêóñèðîâêå èìïóëüñîâ ÔËÑ ñ ýíåðãèåé îäèíî÷íîãî èìïóëüñà äî 1 ìÄæ è ñðåäíåé ìîùíîñòüþ äî 50 ìÂò è ïîñëå ïðîõîæäåíèÿ êðèñòàëëà ZnTe òîëùèíîé 4 ìì èëè DAST òîëùèíîé 100 ìêì ïðîèñõîäèëà ãåíåðàöèÿ ñïåêòðàëüíîãî ñóïåðêîíòèíóóìà [16], ïîýòîìó â ýêñïåðèìåíòàõ èñïîëüçîâàëñÿ èñõîäíûé ïó÷îê ëàçåðà äèàìåòðîì 5 ìì. Ïðè ýòèõ óñëîâèÿõ â êðèñòàëëå ZnTe áûëà ïîëó÷åíà ñðåäíÿÿ ìîùíîñòü ÒÃö èçëó÷åíèÿ, äîñòèãàþùàÿ 100 íÂò. Ïðè èñïîëüçîâàíèè êðèñòàëëà DAST â òîé æå ãåîìåòðèè è ïðè òåõ æå ïàðàìåòðàõ íàêà÷êè ñðåäíÿÿ ìîùíîñòü ÒÃö èçëó÷åíèÿ âîçðàñòàëà è äîñòèãàëà 800 íÂò. Êàê èçâåñòíî [10], DAST ÿâëÿåòñÿ îäíîîñíûì íåëèíåéíî-îïòè÷åñêèì êðèñòàëëîì, ñîîòâåòñòâåííî, ýôôåêòèâíîñòü ãåíåðàöèè ÒÃö èçëó÷åíèÿ çàâèñèò îò âçàèìíîãî ðàñïîëîæåíèÿ êðèñòàëëîãðàôè÷åñêèõ îñåé êðèñòàëëà DAST è ïîëÿðèçàöèè èçëó÷åíèÿ. Íà ðèñ. 3 ïðèâåäåíà çàâèñèìîñòü èíòåíñèâíîñòè ÒÃö èçëó÷åíèÿ îò óãëà ïîâîðîòà êðè-
I, îòí. åä.
0
315
6
45
3
0 270
–3
–6
225
–9
180
90 135
Ðèñ. 3. Çàâèñèìîñòü èíòåíñèâíîñòè ãåíåðàöèè ÒÃö èçëó÷åíèÿ I îò óãëà ïîâîðîòà êðèñòàëëà DAST.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 10, 2008
39
I, îòí. åä. 1
I, îòí. åä. 0,8
0,6 0,5
0 0 2 4 6 x, ñì
Ðèñ. 4. Ïðîôèëü ÒÃö ïó÷êà ïðè âîçáóæäåíèè â êðèñòàëëå DAST.
ñòàëëà. ×åòêî âûðàæåííûå ìàêñèìóìû ïîêàçûâàþò, ÷òî ýôôåêòèâíîñòü ãåíåðàöèè çàâèñèò îò âçàèìîðàñïîëîæåíèÿ îñåé êðèñòàëëà è ïîëÿðèçàöèè âîçáóæäàþùåãî èçëó÷åíèÿ. Íàïðàâëåíèå 0°–180° (ðèñ. 3) ñîîòâåòñòâóåò âåðòèêàëüíîé îñè êðèñòàëëà DAST íà ðèñ. 2â, ïðè ýòîì ïîëÿðèçàöèÿ èçëó÷åíèÿ íàêà÷êè áûëà ãîðèçîíòàëüíîé.
Âûñîêàÿ ýôôåêòèâíîñòü ïðåîáðàçîâàíèÿ â êðèñòàëëå DAST ïîçâîëèëà èçìåðèòü ïðîñòðàíñòâåííûé ïðîôèëü ïó÷êà ìåòîäîì íîæà Ôóêî (ðèñ. 4). Çíàÿ ïðîôèëü ïó÷êà ìåæäó ïàðàáîëàìè è ðàçìåðû âîçáóæäàåìîé îáëàñòè êðèñòàëëà, íåòðóäíî ðàññ÷èòàòü ÷àñòîòû, ïðèâíîñÿùèå ìàêñèìàëüíûé âêëàä â ñïåêòð èçëó÷åíèÿ. Èñõîäÿ èç äèôðàêöèîííûõ ðàñ÷åòîâ, áûëî ïîêàçàíî, ÷òî ìàêñèìóì ñïåêòðà ÒÃö èçëó÷åíèÿ ïðèõîäèòñÿ ïðèáëèçèòåëüíî íà ÷àñòîòó 1,2 ÒÃö.
Òàêæå áûëè ïðîâåäåíû ýêñïåðèìåíòû ïî âîçáóæäåíèþ ÒÃö èçëó÷åíèÿ â êðèñòàëëå DAST ñ èñïîëüçîâàíèåì èìïóëüñîâ ÔÂÑ ñ ýíåðãèåé îäèíî÷íîãî èìïóëüñà 0,8 íÄæ, ñðåäíåé ìîùíîñòüþ 40 ìÂò è äëèíîé âîëíû 780 íì.  ãåîìåòðèè ðèñ. 2 ñ èñïîëüçîâàíèåì ôîêóñèðîâêè èçëó÷åíèÿ íàêà÷êè ëèíçîé ñ f = 10 ñì â ïÿòíî äèàìåòðîì 50 ìêì áûëà ïîëó÷åíà ñðåäíÿÿ ìîùíîñòü ÒÃö èçëó÷åíèÿ äî 80 íÂò, ÷òî îòêðûâàåò ïåðñïåêòèâû èñïîëüçîâàíèÿ êîìïàêòíûõ èñòî÷íèêîâ ôåìòîñåêóíäíîãî èçëó÷åíèÿ äëÿ ÒÃö ïðèëîæåíèé. Ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî â ñõåìå ñ òîé æå ãåîìåòðèåé è òåìè æå ïàðàìåòðàìè ïîñëå ïðîõîæäåíèÿ ïó÷êà íàêà÷êè êðèñòàëëà ZnTe òîëùèíîé 4 ìì ñðåäíÿÿ ìîùíîñòü ÒÃö ñîñòàâëÿëà ëèøü 8 íÂò.
Ãåíåðàöèÿ ñ èñïîëüçîâàíèåì îïòè÷åñêîãî ïðîáîÿ
Ýêñïåðèìåíòû ïðîâîäèëèñü ïî ñõåìå ðèñ. 2, ïðè÷åì êðèñòàëë β-BBO, ãåíåðèðóþùèé èçëó÷åíèå âòîðîé ãàðìîíèêè (λ = 400 íì), äëÿ îáåñïå÷åíèÿ ñîâìåùåíèÿ èìïóëüñîâ ïåðâîé è âòîðîé ãàðìîíèê âî âðå-
0,4
0,2
0 30 60 x, ìì
Ðèñ. 5. Çàâèñèìîñòü ñðåäíåé ìîùíîñòè ÒÃö èçëó÷åíèÿ îò ñäâèãà êðèñòàëëà BBO âäîëü îñè ïó÷êà íàêà÷êè.
ìåíè ðàçìåùàëñÿ ìåæäó ëèíçîé è åå ôîêóñîì. Êðèñòàëë êðåïèëñÿ íà ëèíåéíûé òðàíñëÿòîð è ïåðåìåùàëñÿ âäîëü îñè ïó÷êà äëÿ îáåñïå÷åíèÿ òî÷íîãî ôàçîâîãî ñèíõðîíèçìà ìåæäó âîëíàìè ïåðâîé è âòîðîé ãàðìîíèê*.
 ýêñïåðèìåíòàõ èñïîëüçîâàëàñü ÔËÑ è ïîðîã îïòè÷åñêîãî ïðîáîÿ â âîçäóõå ïðîèñõîäèë ïðè ñóììàðíîé ýíåðãèè îäèíî÷íîãî èìïóëüñà ïåðâîé è âòîðîé ãàðìîíèêè ïîðÿäêà 100 ìêÄæ (ñðåäíÿÿ ìîùíîñòü 5 ìÂò). Îäíîâðåìåííî ñ ïðîáîåì ïîÿâëÿëîñü èçëó÷åíèå ÒÃö äèàïàçîíà è ñïåêòðàëüíîãî ñóïåðêîíòèíóóìà. Ïðè ïåðåìåùåíèè êðèñòàëëà BBO âäîëü îñè ïó÷êà â íàïðàâëåíèè ôîêóñà ëèíçû ñ f = 15 ñì íàáëþäàëîñü ñèíóñîèäàëüíîå èçìåíåíèå ñðåäíåé ìîùíîñòè ÒÃö èçëó÷åíèÿ ñ êîíòðàñòîì ñâûøå 50% (ðèñ. 5). Ïðè ìàêñèìàëüíîé ñóììàðíîé ýíåðãèè îäèíî÷íîãî èìïóëüñà ïåðâîé è âòîðîé ãàðìîíèêè WΣ ≈ 1 ìÄæ è ñðåäíåé ìîùíîñòè 50 ìÂò áûëà ïîëó÷åíà ñðåäíÿÿ ìîùíîñòü ÒÃö äî 20 íÂò, ïðè÷åì çàâèñèìîñòü ñðåäíåé ìîùíîñòè ÒÃö îò ñðåäíåé ìîùíîñòè íàêà÷êè áûëà áëèçêà ê ýêñïîíåíöèàëüíîé.
Ñèíóñîèäàëüíîå èçìåíåíèå ñðåäíåé ìîùíîñòè ÒÃö èçëó÷åíèÿ ïðè ïåðåìåùåíèè êðèñòàëëà BBO âäîëü îñè ïó÷êà ìîæíî îáúÿñíèòü ñëîæåíèåì ýëåêòðè÷åñêèõ ïîëåé âîëí ïåðâîé è âòîðîé ãàðìîíèê èçëó÷åíèÿ ÔËÑ è äâèæåíèåì ýëåêòðîíîâ ïëàçìû â
* Ðàñ÷åòû ïîêàçûâàþò, ÷òî ïðè ïðîõîæäåíèè äâóõöâåòíîãî èçëó÷åíèÿ ÷åðåç ëèíçó òîëùèíîé 10 ìì, âñëåäñòâèå äèñïåðñèè ñòåêëà è, ñîîòâåòñòâåííî, ðàçíûõ ãðóïïîâûõ ñêîðîñòåé äâóõ èìïóëüñîâ, èìïóëüñ ïåðâîé ãàðìîíèêè îïåðåæàåò èìïóëüñ âòîðîé íà 50 ôñ; ïðè ðàñïðîñòðàíåíèè â âîçäóõå äèñïåðñèÿ ìåæäó èìïóëüñàìè ïåðâîé è âòîðîé ãàðìîíèê ñîñòàâëÿåò 0,257 ôñ/ñì [http:// www.kayelaby.npl.co.uk/general_physics/2_5/2_5_7.html].
40 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 10, 2008
äàííîì áèãàðìîíè÷åñêîì ïîëå. Îá ýòîì ñâèäåòåëüñòâóåò òîò ôàêò, ÷òî ïåðèîä èçìåíåíèÿ, ðàâíûé 30 ìì, ñîîòâåòñòâóåò âðåìåíè çàäåðæêè 0,77 ôñ ìåæäó èìïóëüñàìè ïåðâîé è âòîðîé ãàðìîíèê èçëó÷åíèÿ ÔËÑ âñëåäñòâèå äèñïåðñèè âîçäóõà è ïðèáëèçèòåëüíî ñîîòâåòñòâóåò ïîëîâèíå ïåðèîäà êîëåáàíèÿ íà äëèíå âîëíû λ = 400 íì (T = 1,33 ôñ) è ÷åòâåðòè ïåðèîäà êîëåáàíèÿ íà äëèíå âîëíû λ = 800 íì (T = 2,67 ôñ).
Çàêëþ÷åíèå
 ðàáîòå ïðåäñòàâëåíû ýêñïåðèìåíòàëüíûå ðåçóëüòàòû è àíàëèç ãåíåðàöèè ÒÃö èçëó÷åíèÿ ñ èñïîëüçîâàíèåì ôåìòîñåêóíäíûõ ëàçåðíûõ èñòî÷íèêîâ: ãåíåðàöèÿ ôîòîïðîâîäÿùèìè ïîëóïðîâîäíèêîâûìè àíòåííàìè, íåëèíåéíî-îïòè÷åñêàÿ ãåíåðàöèÿ ðàçíîñòíîé ÷àñòîòû èëè îïòè÷åñêîå âûïðÿìëåíèå, ãåíåðàöèÿ ñ èñïîëüçîâàíèåì îïòè÷åñêîãî ïðîáîÿ â ãàçàõ ñ èñïîëüçîâàíèåì ôåìòîñåêóíäíûõ èìïóëüñîâ.  êà÷åñòâå ãåíåðàòîðîâ ÒÃö èçëó÷åíèÿ èñïîëüçîâàëèñü: íåëåãèðîâàííûé ïîëóïðîâîäíèêîâûé êðèñòàëë àðñåíèäà èíäèÿ InAs, ïîìåùåííûé â ìàãíèòíîå ïîëå, êàê ôîòîïðîâîäÿùàÿ àíòåííà; ýëåêòðîîïòè÷åñêèå êðèñòàëëû ZnTe è DAST; îïòè÷åñêàÿ èñêðà â âîçäóõå ïðè äâóõ÷àñòîòíîì âîçáóæäåíèè. Îïðåäåëåíî, ÷òî íàèáîëåå ïåðñïåêòèâíûì ãåíåðàòîðîì ÒÃö âîëí ÿâëÿþòñÿ êðèñòàëëû DAST, ýôôåêòèâíî ãåíåðèðóþùèå èìïóëüñíîå èçëó÷åíèå ñ öåíòðàëüíîé ÷àñòîòîé 1,2 ÒÃö äàæå ïðè âîçáóæäåíèè îòíîñèòåëüíî ìàëîìîùíûìè ëàçåðíûìè èñòî÷íèêàìè, ÷òî îòêðûâàåò ïåðñïåêòèâû èñïîëüçîâàíèÿ êîìïàêòíûõ èñòî÷íèêîâ ôåìòîñåêóíäíîãî èçëó÷åíèÿ äëÿ ïðèëîæåíèé.
Îáíàðóæåí ñèíóñîèäàëüíûé õàðàêòåð çàâèñèìîñòè ñðåäíåé ìîùíîñòè ÒÃö èçëó÷åíèÿ îò ïåðåìåùåíèÿ êðèñòàëëà BBO âäîëü îñè ïó÷êà ïðè ãåíåðàöèè ñ èñïîëüçîâàíèåì îïòè÷åñêîãî ïðîáîÿ, ÷òî îáúÿñíÿåòñÿ âëèÿíèåì ñëîæåíèÿ ýëåêòðè÷åñêèõ ïîëåé âîëí ïåðâîé è âòîðîé ãàðìîíèê è îáðàçîâàíèåì ïëàçìû.
Ðàáîòà âûïîëíåíà ïðè ïîääåðæêå ãðàíòàìè ÐÔÔÈ ¹ 06-02-08317-îôè, ¹ 06-02-17303-à, ¹ 0702-13562-îôè_ö. Àâòîðû âûðàæàþò áëàãîäàðíîñòü Þ.Ý. Áóðóíêîâîé çà èçãîòîâëåíèå è ïðåäîñòàâëåíèå îáðàçöîâ êðèñòàëëîâ DAST.
ËÈÒÅÐÀÒÓÐÀ
11. Reimann K. Table-top sources of ultrashort THz pulses // Rep. Prog. Phys. 2007. V. 70. P1597–1632.
12. Pickwell E., Wallace V.P. Biomedical applications of terahertz technology // J. Phys. D: Appl. Phys. 2006. V. 39. R301–R310.
13. Newnham D.A., Taday P.F. Pulsed terahertz attenuated total reflection spectroscopy // Appl. Spectrosc. 2008. V. 62. P. 394–398.
14. Kress M., Lî..ffler T., Eden S., Thomson M., Roskos H.G. Terahertz-pulse generation by photoionization of air with laser pulses composed of both fundamental and secondharmonic waves // Opt. Lett. 2004. V. 29. P. 1120–1122.
15. Auston D.H. Picosecond optoelectronic switching and gating in silicon // Appl. Phys. Lett. 1975. V. 26. P. 101–103.
16. Mittleman D.M., Gupta M., Neelamani R., Baraniuk R.G., Rudd J.V., Koch M. Recent advances in terahertz imaging // Appl. Phys. 1999. V. 68. P. 1085–1094.
17. Áåñïàëîâ Â.Ã., Êðûëîâ Â.Í., Ïóòèëèí Ñ.Ý., Ñòàñåëüêî Ä.È. Ãåíåðàöèÿ èçëó÷åíèÿ â äàëüíåì ÈÊ äèàïàçîíå ñïåêòðà ïðè ôåìòîñåêóíäíîì îïòè÷åñêîì âîçáóæäåíèè ïîëóïðîâîäíèêà InAs â ìàãíèòíîì ïîëå // Îïò. è ñïåêòð. 2002. Ò. 93. ¹ 1. C. 158–162.
18. Sarukura N., Ohtake H., Izumida S., Liu Z. High averagepower THz radiation from femtosecond laser-irradiated InAs in a magnetic field and its elliptical polarization characteristics // J. Appl. Phys. 1998. V. 84. P. 654–656.
19. Hebling J., Yeh K.-L., Hoffmann M.C., Bartal B., Nelson K.A. Generation of high-power terahertz pulses by tilted-pulse-front excitation and their application possibilities // JOSA. 2008. V. B25. B6–B19.
10. Mori Y., Takahashi Y., Iwai T., Yoshimura M., Khin Yap Y., Sasaki T. Slope nucleation method for the growth of highquality 4-dimethylamino-methyl-4-stilbazolium-tosylate (DAST) crystals // Jpn. J. Appl. Phys. 2000. V. 39. P. L1006–L1008.
11. Schneider A., Neis M., Stillhart M., Ruiz B., Khan R. U.A., Gunter P. Generation of terahertz pulses through optical rectification in organic DAST crystals: theory and experiment // JOSA. 2006. V. B23. P. 1822–1835.
12. Cook D.J., Hochstrasser R.M. Intense terahertz pulses by four-wave rectification in air // Opt. Lett. 2000. V. 25. P. 1210–1212.
13. Xie X., Xu J., Dai J., Zhang X.C. Enhancement of terahertz wave generation from laser induced plasma // Appl. Phys. Lett. 2007. V. 90. P. 141104.
14. Kim K.-Y., Yellampalle B., Glownia J.H., Taylor A., Rodriguez G. Intense Coherent Terahertz Radiation from Two-Color Photocurrent Mixing in Atmospheric Air // Optical Terahertz Science and Technology. OSA Technical Digest Series (CD) (Optical Society of America, 2007). Ðaper TuD7.
15. Benicewicz P.K., Roberts J.P., Taylor A.J. Scaling of teraherz radiation from large-aperture biased photoconductors // JOSA. Â. 1994. V. 11. ¹ 12. P. 2533–2546.
16. Æåëòèêîâ À.Ì. Äà áóäåò áåëûé ñâåò: ãåíåðàöèÿ ñóïåðêîíòèíóóìà ñâåðõêîðîòêèìè ëàçåðíûìè èìïóëüñàìè // ÓÔÍ. 2006. Ò. 176. Ñ. 623–640.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 10, 2008
41
ÓÄÊ 535.14 + 621.3.029.66 + 621.373.826
ÌÅÒÎÄÛ ÃÅÍÅÐÀÖÈÈ ÑÂÅÐÕØÈÐÎÊÎÏÎËÎÑÍÛÕ ÒÅÐÀÃÅÐÖÎÂÛÕ ÈÌÏÓËÜÑÎÂ ÔÅÌÒÎÑÅÊÓÍÄÍÛÌÈ ËÀÇÅÐÀÌÈ
© 2008 ã. © 2008 ã. © 2008 ã.
Â. Ã. Áåñïàëîâ, äîêòîð ôèç.-ìàò. íàóê; À. À. Ãîðîäåöêèé; È. Þ. Äåíèñþê, äîêòîð ôèç.-ìàò. íàóê; Ñ. À. Êîçëîâ, äîêòîð ôèç.-ìàò. íàóê; Â. Í. Êðûëîâ, êàíä. ôèç.-ìàò. íàóê; Ã. Â. Ëóêîìñêèé; Í. Â. Ïåòðîâ; Ñ. Ý. Ïóòèëèí, êàíä. ôèç.-ìàò. íàóê
Ñàíêò-Ïåòåðáóðãñêèé ãîñóäàðñòâåííûé óíèâåðñèòåò èíôîðìàöèîííûõ òåõíîëîãèé, ìåõàíèêè è îïòèêè, Ñàíêò-Ïåòåðáóðã
 ðàáîòå ïðåäñòàâëåíû ýêñïåðèìåíòàëüíûå ðåçóëüòàòû è àíàëèç ìåòîäîâ ãåíåðàöèè òåðàãåðöîâîãî (ÒÃö) èçëó÷åíèÿ ñ èñïîëüçîâàíèåì ôåìòîñåêóíäíûõ ëàçåðíûõ èñòî÷íèêîâ: ãåíåðàöèÿ ôîòîïðîâîäÿùèìè ïîëóïðîâîäíèêîâûìè àíòåííàìè, íåëèíåéíî-îïòè÷åñêàÿ ãåíåðàöèÿ ðàçíîñòíîé ÷àñòîòû èëè îïòè÷åñêîå âûïðÿìëåíèå, ãåíåðàöèÿ ñ èñïîëüçîâàíèåì îïòè÷åñêîãî ïðîáîÿ â ãàçàõ ïîä äåéñòâèåì ôåìòîñåêóíäíûõ èìïóëüñîâ.  êà÷åñòâå ãåíåðàòîðîâ ÒÃö èçëó÷åíèÿ èñïîëüçîâàëèñü íåëåãèðîâàííûé ïîëóïðîâîäíèêîâûé êðèñòàëë àðñåíèäà èíäèÿ InAs, ïîìåùåííûé â ìàãíèòíîå ïîëå, ýëåêòðîîïòè÷åñêèé êðèñòàëë ZnTe, îðãàíè÷åñêèé êðèñòàëë DAST, îïòè÷åñêàÿ èñêðà â âîçäóõå.
Êîäû OCIS: 260.3090, 320.7110, 110.6795.
Ïîñòóïèëà â ðåäàêöèþ 22.05.2008.
Ââåäåíèå
Ñîçäàíèå ýôôåêòèâíîãî, ìîùíîãî, íåäîðîãîãî, êîìïàêòíîãî è ðàáîòàþùåãî ïðè êîìíàòíîé òåìïåðàòóðå èñòî÷íèêà ïðåäåëüíî êîðîòêèõ (äëèòåëüíîñòüþ â íåñêîëüêî êîëåáàíèé ñâåòîâîãî ïîëÿ) ñâåðõøèðîêîïîëîñíûõ òåðàãåðöîâûõ (ÒÃö) èìïóëüñîâ ÿâëÿåòñÿ îäíîé èç îñíîâíûõ çàäà÷ â ñîâðåìåííîé ôîòîíèêå [1]. Ýòî ñâÿçàíî ñ òåì, ÷òî ó ñâåðõøèðîêîïîëîñíîãî ÒÃö èçëó÷åíèÿ åñòü îãðîìíûé ïîòåíöèàë äëÿ øèðîêîé îáëàñòè òåõíè÷åñêèõ è íàó÷íûõ ïðèëîæåíèé: äèàãíîñòèêà ðàçëè÷íûõ ìàòåðèàëîâ, âêëþ÷àÿ ïîëóïðîâîäíèêè, õèìè÷åñêèå ñîåäèíåíèÿ, áèîìîëåêóëû è áèîòêàíè; ôîðìèðîâàíèå èçîáðàæåíèé, òîìîãðàôèÿ è èíòðàâèäåíèå äëÿ ìåäèöèíñêèõ öåëåé è öåëåé áåçîïàñíîñòè; äèñòàíöèîííûé êîíòðîëü è ìîíèòîðèíã îêðóæàþùåé ñðåäû; àñòðîíîìèÿ è äð. [2, 3]. Äåéñòâèòåëüíî, ÒÃö äèàïàçîí îõâàòûâàåò øèðîêóþ îáëàñòü êîëåáàòåëüíûõ, âðàùàòåëüíûõ è òðàíñëÿöèîííûõ ëèíèé øèðîêîãî êëàññà îðãàíè÷åñêèõ è áèîëîãè÷åñêèõ ìîëåêóë. Áåñïðåïÿòñòâåííîå ïðîíèêíîâåíèå ñêâîçü äûìû è òóìàíû, îäåæäó, áóìàãó, äåðåâî, ïëàñòìàññó, êåðàìèêó è äðóãèå ìàòåðèàëû âñëåäñòâèå ìàëîñòè ðýëååâñêîãî ðàññåÿíèÿ èçëó÷åíèÿ â ýòîì äèàïàçîíå îòêðûâàåò øèðîêèå âîçìîæíîñòè èíòðàâèäåíèÿ ñ ðàçðåøåíèåì âïëîòü äî 100 ìêì è âûñîêèì îòíîøåíèåì ñèãíàë/ øóì. Íåáîëüøàÿ ýíåðãèÿ ÒÃö êâàíòîâ è ñâÿçàííûé ñ ýòèì íåèîíèçóþùèé õàðàêòåð âîçäåéñòâèÿ ÒÃö
èçëó÷åíèÿ îòêðûâàþò øèðîêèå âîçìîæíîñòè äëÿ åãî èñïîëüçîâàíèÿ â áèîëîãèè è ìåäèöèíå.  òî æå âðåìÿ ýíåðãèÿ ÒÃö êâàíòîâ ñîîòâåòñòâóåò êîëåáàòåëüíîé ýíåðãèè âàæíûõ áèîëîãè÷åñêèõ ìîëåêóë, âêëþ÷àÿ ìîëåêóëû ÄÍÊ è ÐÍÊ, ÷òî ïîçâîëÿåò îñóùåñòâëÿòü öåëåíàïðàâëåííîå âîçäåéñòâèå íà íèõ êàê â èññëåäîâàòåëüñêèõ, òàê è â ìåäèöèíñêèõ öåëÿõ, ñòèìóëèðóÿ èëè ïîäàâëÿÿ ðàçâèòèå âèðóñîâ, êëåòîê è èõ êîìïîíåíòîâ. Íå ìåíåå ïåðñïåêòèâíûì, ñ òî÷êè çðåíèÿ ïðàêòèêè, ÿâëÿåòñÿ ïðèìåíåíèå ÒÃö èçëó÷åíèÿ â ìåäèöèíå äëÿ âèçóàëèçàöèè, ãîëîãðàôèðîâàíèÿ è òîìîãðàôèè òêàíåé, òåðàïèè è õèðóðãèè.
Çà ïîñëåäíèå ïÿòíàäöàòü ëåò âìåñòå ñ ðàçâèòèåì ôåìòîñåêóíäíûõ òâåðäîòåëüíûõ ëàçåðîâ (â îñîáåííîñòè ëàçåðîâ íà êðèñòàëëàõ ñàïôèðà, àêòèâèðîâàííûõ èîíàìè òèòàíà) è ìèêðîýëåêòðîíèêè â èññëåäîâàíèÿõ ÒÃö îáëàñòè íàìåòèëñÿ çíà÷èòåëüíûé ñäâèã.  íàñòîÿùåå âðåìÿ íàèáîëåå ðàçâèòû òðè ìåòîäà ïîëó÷åíèÿ ïðåäåëüíî êîðîòêèõ ÒÃö èìïóëüñîâ ñ èñïîëüçîâàíèåì ôåìòîñåêóíäíûõ ëàçåðíûõ èñòî÷íèêîâ: ãåíåðàöèÿ ôîòîïðîâîäÿùèìè àíòåííàìè, íåëèíåéíî-îïòè÷åñêàÿ ãåíåðàöèÿ ðàçíîñòíîé ÷àñòîòû èëè îïòè÷åñêîå âûïðÿìëåíèå, ãåíåðàöèÿ ñ èñïîëüçîâàíèåì îïòè÷åñêîãî ïðîáîÿ â ãàçàõ ïîä äåéñòâèåì ôåìòîñåêóíäíûõ èìïóëüñîâ. Äàííûå ìåòîäû ïîçâîëÿþò ïîëó÷àòü ÒÃö ýëåêòðîìàãíèòíîå èçëó÷åíèå ñ ïèêîâûìè àìïëèòóäàìè ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ äî 100 ê cì–1 ïðè èñïîëüçîâàíèè ôåìòîñåêóíäíûõ ëàçåðíûõ ñèñòåì ñ óñèëèòåëÿìè [4].
34 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 10, 2008
Îñíîâíûå ìåòîäû ãåíåðàöèè ñâåðõøèðîêîïîëîñíûõ ÒÃÖ èìïóëüñîâ
ôåìòîñåêóíäíûìè ëàçåðàìè
Ãåíåðàöèÿ ôîòîïðîâîäÿùèìè àíòåííàìè
Îäíèì èç ïåðâûõ áûë ðåàëèçîâàí ìåòîä ãåíåðàöèè ÒÃö èçëó÷åíèÿ ôîòîïðîâîäÿùåé àíòåííîé ïðè îáëó÷åíèè ôåìòîñåêóíäíûìè èìïóëüñàìè [5]. Ýôôåêò ãåíåðàöèè ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ ïîâåðõíîñòüþ ïîëóïðîâîäíèêà, êîòîðàÿ è ÿâëÿåòñÿ ôîòîïðîâîäÿùåé àíòåííîé, ïðè âîçáóæäåíèè åãî ñâåðõêîðîòêèìè ôåìòîñåêóíäíûìè èìïóëüñàìè îáúÿñíÿåòñÿ äèíàìèêîé îáðàçîâàíèÿ ôîòîíîñèòåëåé – ýëåêòðîííî-äûðî÷íûõ ïàð – è èõ ñâåðõáûñòðûì äâèæåíèåì â ïðèïîâåðõíîñòíîì ýëåêòðè÷åñêîì ïîëå. Ñîãëàñíî óðàâíåíèÿì Ìàêñâåëëà âîçíèêàþùèé ïðè ýòîì òîê J(t) âûçûâàåò ãåíåðàöèþ ýëåêòðîìàãíèòíîãî èìïóëüñà E(t) ~ ∂J/∂t, îáû÷íî â âèäå îäíîãî êîëåáàíèÿ ñî ñïåêòðîì, îïðåäåëÿåìûì ôóðüå-ïðåîáðàçîâàíèåì åãî âðåìåííîé ôîðìû. Òàêèì îáðàçîì, ïîâåðõíîñòü ïîëóïðîâîäíèêà ðàáîòàåò êàê äèíàìè÷åñêàÿ ôîòîïðîâîäÿùàÿ àíòåííà, èçëó÷àþùàÿ èìïóëüñû øèðîêîïîëîñíîãî ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ äëèòåëüíîñòüþ â ñîòíè ôåìòîñåêóíä. Öåíòðàëüíàÿ ÷àñòîòà ãåíåðèðóåìîãî ôîòîïîëóïðîâîäíèêàìè èçëó÷åíèÿ, êàê ïðàâèëî, íàõîäèòñÿ â ðàéîíå 1–2 ÒÃö.  êà÷åñòâå ãåíåðàòîðîâ ÒÃö èçëó÷åíèÿ øèðîêî èñïîëüçóþòñÿ ïîëóïðîâîäíèêîâûå êðèñòàëëû GaAs, InP è InAs [6]. Äëÿ óâåëè÷åíèÿ ýôôåêòèâíîñòè ÒÃö èçëó÷åíèÿ îáðàçöû êðèñòàëëîâ ïîìåùàþòñÿ â ñèëüíûå ýëåêòðè÷åñêèå èëè ìàãíèòíûå ïîëÿ [7]. Ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî ñîãëàñíî ìîäåëè [8] èíòåíñèâíîñòü ÒÃö èçëó÷åíèÿ ïðîïîðöèîíàëüíà âðåìåííûì ïðîèçâîäíûì îò êîíöåíòðàöèè ýëåêòðîííî-äûðî÷íûõ ïàð è èõ ñêîðîñòè äâèæåíèÿ â ýëåêòðè÷åñêîì èëè ìàãíèòíîì ïîëå, êîòîðàÿ îïðåäåëÿåòñÿ ïîäâèæíîñòüþ íîñèòåëåé çàðÿäà. Îäíèì èç íàèáîëåå âûñîêèõ çíà÷åíèé ïîäâèæíîñòè ýëåêòðîíîâ (ïîðÿäêà 3×104 ñì2/ ñ) îáëàäàþò íåëåãèðîâàííûå êðèñòàëëû àðñåíèäà èíäèÿ InAs, è èìåííî íà íèõ äîñòèãíóòà â íàñòîÿùåå âðåìÿ íàèáîëüøàÿ ýôôåêòèâíîñòü ïðåîáðàçîâàíèÿ èçëó÷åíèÿ ôåìòîñåêóíäíîãî ëàçåðà â ÒÃö èìïóëüñíîå èçëó÷åíèå [8].
Îïòè÷åñêîå âûïðÿìëåíèå
Áîëüøîå ïèêîâîå çíà÷åíèå ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ èçëó÷åíèÿ ôåìòîñåêóíäíîãî èìïóëüñà â âèäèìîì èëè áëèæíåì ÈÊ äèàïàçîíàõ ñïåêòðà ïîçâîëÿåò èñïîëüçîâàòü íåëèíåéíóþ âîñïðèèì÷èâîñòü âòîðîãî ïîðÿäêà χ(2) ýëåêòðîîïòè÷åñêèõ êðèñòàëëîâ äëÿ ãåíåðàöèè ÒÃö èçëó÷åíèÿ. Íåëèíåéíîå âçàèìîäåéñòâèå ìåæäó ëþáûìè äâóìÿ ÷àñòîòíûìè ñîñòàâëÿ-
þùèìè â ïðåäåëàõ ñïåêòðà ôåìòîñåêóíäíîãî èìïóëüñà îáóñëàâëèâàåò ïîëÿðèçàöèþ P(ωÒÃö) ñðåäû, â ðåçóëüòàòå êîòîðîé ïðîèñõîäèò èçëó÷åíèå ýëåêòðîìàãíèòíûõ âîëí íà ÷àñòîòå áèåíèé, ïðè÷åì ïîëÿðèçàöèÿ ñðåäû ïðîïîðöèîíàëüíà èíòåíñèâíîñòè ïàäàþùåãî èìïóëüñà, ò. å. â ÷àñòîòíîé îáëàñòè ìîæíî çàïèñàòü
P(ωÒÃö ) ~ χ(2) E(ω1)E(ω2 ) ~ χ(2) E02,
(1)
ãäå E(ω1) è E(ω2) ôóðüå-êîìïîíåíòû ñïåêòðà ôåìòîñåêóíäíîãî èìïóëüñà, à ωÒÃö = |ω1 – ω2|. Â äèïîëüíîì ïðèáëèæåíèè è â äàëüíåé çîíå äèôðàêöèè àì-
ïëèòóäà ÒÃö âîëíû ïðîïîðöèîíàëüíà âòîðîé ïðî-
èçâîäíîé ïî âðåìåíè îò îïòè÷åñêè íàâåäåííîé
ïîëÿðèçàöèè
EÒÃö
~
∂2 ∂t
P
2
.
Ïîñêîëüêó îáû÷íî øèðè-
íà ñïåêòðà (äëèòåëüíîñòü èìïóëüñà) ôåìòîñåêóíä-
íîãî èçëó÷åíèÿ ñîñòàâëÿåò 10 ÒÃö (100 ôñ), òî âåðõ-
íèé ïðåäåë øèðèíû ñïåêòðà è íèæíèé ïðåäåë äëè-
òåëüíîñòè èìïóëüñà ÒÃö èçëó÷åíèÿ äîëæíû ñîñòàâ-
ëÿòü ïðèáëèçèòåëüíî òå æå âåëè÷èíû.
Îïòè÷åñêîå âûïðÿìëåíèå èñïîëüçîâàëîñü äëÿ
ãåíåðàöèè ÒÃö èçëó÷åíèÿ âî ìíîãèõ ýëåêòðîîïòè-
÷åñêèõ êðèñòàëëàõ, òàêèõ êàê ZnSe, GaSe è ZnTe [9],
à òàêæå è â îðãàíè÷åñêîé èîííîé ñîëè N-4-äèìåòè-
ëàìèíî-4-N–ìåòèë-ñòèëáàçîë òîçèëàò (N-4-dime-
thylamino-4-N-methylstilbazolium tosylate, DAST)
[10]. Ïîìèìî âåëè÷èíû âîñïðèèì÷èâîñòè âòîðîãî
ïîðÿäêà, ýôôåêòèâíîñòü ïðåîáðàçîâàíèÿ â ÒÃö èç-
ëó÷åíèå çàâèñèò îò ñîîòíîøåíèÿ ôàç âçàèìîäåéñòâó-
þùèõ âîëí, ò. å. äîëæíî âûïîëíÿòüñÿ óñëîâèå ôà-
çîâîãî ñèíõðîíèçìà
Δk = k1 − k2 − kÒÃö = 0,
(2)
ãäå Δk – âîëíîâàÿ ðàññòðîéêà ìåæäó âîëíîâûìè âåêòîðàìè âîëí íàêà÷êè k1, k2 è âîëíîâûì âåêòîðîì ÒÃö èìïóëüñà kÒÃö. Âî ìíîãèõ íåëèíåéíûõ îïòè÷åñêèõ ìàòåðèàëàõ, íàïðèìåð, òàêèõ êàê LiNbO3, ôàçîâûé ñèíõðîíèçì ìåæäó ÒÃö âîëíîé è âîëíîé íàêà÷êè íå ìîæåò áûòü äîñòèãíóò â ñâÿçè ñ òåì, ÷òî ïîêàçàòåëü ïðåëîìëåíèÿ äàííûõ ìàòåðèàëîâ íà ÒÃö ÷àñòîòàõ çíà÷èòåëüíî áîëüøå, ÷åì ïîêàçàòåëü ïðåëîìëåíèÿ â âèäèìîì è áëèæíåì ÈÊ äèàïàçîíàõ ñïåêòðà. Ïîêàçàíî [11], ÷òî äëèíà êîãåðåíòíîãî âçàèìîäåéñòâèÿ (äëèíà êîãåðåíòíîñòè) lêîã çàâèñèò â áîëüøåé ñòåïåíè îò ðàññîãëàñîâàíèÿ ãðóïïîâîé ñêîðîñòè ôåìòîñåêóíäíîãî èìïóëüñà íàêà÷êè è ôàçîâîé ñêîðîñòè ÒÃö èìïóëüñà è îïðåäåëÿåòñÿ ñîîòíîøåíèåì
lêîã
=
ωÒÃö
πc (nãð −
, nÒÃö )
(3)
ãêäðåènñãòðà(ëλë)à=änë(ÿλ)ã−ðóλï⎜⎛⎝ï∂∂îλnâû⎟⎠⎞λõ–ñïêîîêðàîçñàòòååéëüôïåðìåòëîîñìåëêåóííèäÿ-
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 10, 2008
35
íîãî èìïóëüñà, nÒÃö – ïîêàçàòåëü ïðåëîìëåíèÿ ñðåäû íà ÒÃö ÷àñòîòå, ñ – ñêîðîñòü ñâåòà. Ôàçîâûé ñèíõðîíèçì íàáëþäàåòñÿ â òàêèõ íåëèíåéíûõ ìàòåðèàëàõ, êàê ZnTe, GaSe, DAST, â êîòîðûõ lêîã ñîñòàâëÿåò 0,1–1 ìì. Ñðåäè äàííûõ íåëèíåéíûõ ñðåä ñëåäóåò îòìåòèòü îðãàíè÷åñêèé êðèñòàëë DAST êàê èìåþùèé íàèáîëüøóþ íåëèíåéíóþ âîñïðèèì÷èâîñòü d111 = 1010 ïì/ íà äëèíå âîëíû 1318 íì [11]. Ìíîãèå ãðóïïû èññëåäîâàòåëåé èñïîëüçóþò êðèñòàëëû ZnTe, èìåþùèå íåëèíåéíóþ âîñïðèèì÷èâîñòü d14 = 4 ïì/ íà äëèíå âîëíû òèòàí-ñàïôèðîâîãî ëàçåðà λ = 800 íì, ïðè÷åì äëèíà êîãåðåíòíîñòè ïîçâîëÿåò ãåíåðèðîâàòü ýëåêòðîìàãíèòíûå êîëåáàíèÿ â äèàïàçîíå îò 0 äî 2 ÒÃö.
Ãåíåðàöèÿ ñ èñïîëüçîâàíèåì îïòè÷åñêîãî ïðîáîÿ
Ãåíåðàöèÿ ÒÃö èçëó÷åíèÿ ïðè ôîêóñèðîâêå îñíîâíîé è âòîðîé ãàðìîíèê ôåìòîñåêóíäíîãî ëàçåðà â âîçäóõå – îäèí èç ñàìûõ íîâûõ ñïîñîáîâ ãåíåðàöèè ÒÃö èçëó÷åíèÿ, íå òðåáóþùèõ íàëè÷èÿ êàêîé-ëèáî ñïåöèàëüíîé ñðåäû. Ñóùåñòâóåò íåñêîëüêî îáúÿñíåíèé ìåõàíèçìà ãåíåðàöèè. Òàê, àâòîðû [12] ñâÿçûâàþò ïîÿâëåíèå èçëó÷åíèÿ ðàçíîñòíîé ÷àñòîòû ñ ÷åòûðåõâîëíîâûì ñìåøåíèåì èçëó÷åíèÿ ïåðâîé è âòîðîé ãàðìîíèê ôåìòîñåêóíäíîãî ëàçåðà íàêà÷êè íà ïëàçìåííîé íåëèíåéíîñòè òðåòüåãî ïîðÿäêà χ(3). Ïðîöåññ îïèñûâàåòñÿ ñëåäóþùèì îáðàçîì: ïîëÿðèçàöèÿ íà ÒÃö ÷àñòîòå P(ωÒÃö) âîçíèêàåò ïðè âçàèìîäåéñòâèè òðåõ âîëí – äâóõ âîëí íàêà÷êè îñíîâíîé ÷àñòîòû E(ω1), E(ω2) è âîëíû âòîðîé ãàðìîíèêè E(2ω), ò. å.
P(ωÒÃö ) ~ χi(,3j),k,l E(2ω)E(ω1)E(ω2 ).
(4)
Ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî äëÿ ïîÿâëåíèÿ ÒÃö èçëó÷åíèÿ â äàííîì ñëó÷àå íåîáõîäèìî íàëè÷èå ïëàçìû (îïòè÷åñêîãî ïðîáîÿ ãàçà) – ïîÿâëåíèÿ ñâîáîäíûõ ýëåêòðîíîâ. Äðóãîå îáúÿñíåíèå ýôôåêòà äàíî íà îñíîâå ìîäåëè ïîïåðå÷íîãî ïëàçìåííîãî òîêà, âîçíèêàþùåãî âñëåäñòâèå âûñâîáîæäåíèÿ ýëåêòðîíîâ èç ìîëåêóë ãàçà ïîñðåäñòâîì òóííåëüíîé èîíèçàöèè. Ïîÿâèâøèåñÿ ýëåêòðîíû óñêîðÿþòñÿ â àñèììåòðè÷íîì ëàçåðíîì ïîëå, îáðàçîâàííîì ñëîæåíèåì êîëåáàíèé ïåðâîé è âòîðîé ãàðìîíèê [13], ÷òî ïðèâîäèò ê ïîÿâëåíèþ íåíóëåâîé ïðîåêöèè ñêîðîñòè â ïîïåðå÷íîì íàïðàâëåíèè – ïîïåðå÷íîìó òîêó. Ïîñêîëüêó ïðîöåññ ñèëüíî íåñòàöèîíàðíûé è ïðîèñõîäèò â ìîìåíò äåéñòâèÿ èìïóëüñà ëàçåðà (τ < 50 ôñ), òîê J(t) âûçûâàåò ãåíåðàöèþ ýëåêòðîìàãíèòíîãî èìïóëüñà E(t) ~ ∂J/∂t, òàêèì îáðàçîì ãåíåðèðóÿ ýëåêòðîìàãíèòíûé èìïóëüñ íà ÒÃö ÷àñòîòàõ.
Ïîñðåäñòâîì äàííîãî ñïîñîáà áûëè ïîëó÷åíû ÒÃö èìïóëüñû ñ ýíåðãèåé â íåñêîëüêî ìèêðîäæîó-
ëåé, øèðèíîé ïîëîñû ãåíåðàöèè 70 ÒÃö è íàïðÿæåííîñòüþ ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ îêîëî 100 êÂ/ñì íà ÷àñòîòå 2 ÒÃö [14].
Ýêñïåðèìåíòàëüíàÿ óñòàíîâêà
Ýêñïåðèìåíòû ïî ãåíåðàöèè ÒÃö èçëó÷åíèÿ ïðîâîäèëèñü ñ èñïîëüçîâàíèåì äâóõ ëàçåðíûõ ôåìòîñåêóíäíûõ ñèñòåì: ëàçåðíîé ñèñòåìû ñ àêòèâíîé ñðåäîé íà îñíîâå êðèñòàëëîâ ñàïôèðà ñ òèòàíîì ïî ñõåìå çàäàþùèé ãåíåðàòîð–ñòðåò÷åð–8-ïðîõîäîâûé óñèëèòåëü–êîìïðåññîð (â äàëüíåéøåì ÔËÑ) (ðèñ. 1) è ôåìòîñåêóíäíîé âîëîêîííîé ñèñòåìû (ÔÂÑ), îñíîâàííîé íà âîëîêíàõ, ëåãèðîâàííûõ ýðáèåì, EFOA-SH.
 êà÷åñòâå çàäàþùåãî ãåíåðàòîðà (ÇÃ) ÔËÑ ìû èñïîëüçîâàëè ôåìòîñåêóíäíûé ëàçåð íà êðèñòàëëå ñàïôèðà ñ òèòàíîì “Ôåìîñ-2” ñ ïàðàìåòðàìè: ïîëóøèðèíà ñïåêòðà ãåíåðàöèè 40 íì, äëèòåëüíîñòü îäèíî÷íîãî èìïóëüñà îêîëî 20 ôñ, ÷àñòîòà ñëåäîâàíèÿ èìïóëüñîâ 80 ÌÃö, ýíåðãèÿ îäèíî÷íîãî èìïóëüñà 1,25 íÄæ, ñðåäíÿÿ ìîùíîñòü èçëó÷åíèÿ 100 ìÂò. Èçëó÷åíèå Çà òàêæå èñïîëüçîâàëîñü â ýêñïåðèìåíòàõ ïî ãåíåðàöèè ÒÃö èçëó÷åíèÿ.
Âåðòèêàëüíàÿ ïîëÿðèçàöèÿ èçëó÷åíèÿ íà âûõîäå ëàçåðà Ôåìîñ-2 ïîâîðà÷èâàëàñü íà 90° ñ ïîìîùüþ çåðêàëüíîãî âðàùàòåëÿ ïîëÿðèçàöèè ÔÇ è äàëåå ôåìòîñåêóíäíûé èìïóëüñ îò Çà ïîïàäàåò â ñòàíäàðòíûé äâóõïðîõîäîâûé ñòðåò÷åð, èñïîëüçóþùèé òîëüêî îòðàæàòåëüíóþ îïòèêó, ãäå ðàñòÿãèâàåòñÿ ïî âðåìåíè ïðèáëèçèòåëüíî äî 60 ïñ. Ñòðåò÷åð ñîñòîèò èç äèôðàêöèîííîé ðåøåòêè 600 øò/ìì, ñôåðè÷åñêîãî çåðêàëà ñ ôîêóñîì 750 ìì è äâóõ ïëîñêèõ çåðêàë.
Äëÿ ïðåäîòâðàùåíèÿ âëèÿíèÿ óñèëåííîé ëþìèíåñöåíöèè èç ìíîãîïðîõîäîâîãî óñèëèòåëÿ íà ðàáîòó Çà ïîñëå ñòðåò÷åðà â ñõåìå ðàñïîëîæåí áëîê îïòè÷åñêîé ðàçâÿçêè – øèðîêîïîëîñíûé èçîëÿòîð Ôàðàäåÿ. Çà èçîëÿòîðîì Ôàðàäåÿ èç ïîñëåäîâàòåëüíîñòè èìïóëüñîâ äëèòåëüíîñòüþ 60 ïñ ñ ÷àñòîòîé ñëåäîâàíèÿ 80 ÌÃö ÿ÷åéêà Ïîêêåëüñà âûäåëÿåò öóã îïòè÷åñêèõ èìïóëüñîâ ñ ÷àñòîòîé ñëåäîâàíèÿ 50 Ãö (÷àñòîòà ðàáîòû ëàçåðà íàêà÷êè óñèëèòåëÿ).
Âûäåëåííûé öóã èìïóëüñîâ ïîïàäàåò â ìíîãîïðîõîäîâûé òåëåñêîïè÷åñêèé óñèëèòåëü, ãäå 8 ðàç ïðîõîäèò ÷åðåç àêòèâíóþ ñðåäó (êðèñòàëë ñàïôèðà ñ òèòàíîì). Ñèíõðîííî íà êðèñòàëë ïîäàåòñÿ èìïóëüñ èçëó÷åíèÿ âòîðîé ãàðìîíèêè ëàìïîâîãî Nd:YAGëàçåðà äëèòåëüíîñòüþ 12 íñ è ýíåðãèåé äî 14 ìÄæ. Äëÿ ïëàâíîãî èçìåíåíèÿ ýíåðãèè èìïóëüñà íàêà÷êè èñïîëüçóåòñÿ àòòåíþàòîð, ñîñòîÿùèé èç êâàðöåâîãî âðàùàòåëÿ ïîëÿðèçàöèè S1 è ïîëÿðèçàòîðà S2. Äëÿ òîãî ÷òîáû äîñòèãíóòü óñèëåíèÿ îäèíî÷íîãî 60 ïñ èìïóëüñà â 106 ðàç, íàêà÷êà îáåñïå÷èâàåò ïëîòíîñòü
36 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 10, 2008
M6
MA6 MA8
MA6 MA1 L3
MS5
MS3 F1
PC
TiSa MA8
à GS
Ï
MA3
MA4
MA7
L6
MA2
MS4
MS1 MS2 SM
MP2
MC2 MC1
L5
L4
GC2
SP C2
ME1 AC
SOLAR LQ-129
Ì5
L2 R1 Ñ1
Ì3
Ì4 L1
FD2 FD1
Ôåìîñ-2 SP
STABILITE 2017
Ì2 Ì1
S1 S2 MP1
GC1
Ðèñ. 1. Îïòè÷åñêàÿ áëîê-ñõåìà òèòàí-ñàïôèðîâîé ôåìòîñåêóíäíîé ëàçåðíîé ñèñòåìû. M1–M6 – ïëîñêèå çåðêàëà, C1, C2 – êëèíîâèäíûå ïîäëîæêè, R1 – çåðêàëüíûé âðàùàòåëü ïîëÿðèçàöèè, L1– L3 – ëèíçû, SP – ñïåêòðîìåòðû ASP100, FD1, FD2 – áûñòðûå ôîòîäèîäû; GS – ðåøåòêà ñòðåò÷åðà, SM – ñôåðè÷åñêîå çåðêàëî ñòðåò÷åðà, MS1– MS5 – ïëîñêèå çåðêàëà ñòðåò÷åðà, ÌA1–MA3, MA6 – ïëîñêèå çåðêàëà óñèëèòåëÿ; FI – èçîëÿòîð Ôàðàäåÿ, PC – ÿ÷åéêà Ïîêêåëüñà, à – ïîëÿðèçàòîð, Ï – çåðêàëüíûé ïåðèñêîï, MA4, MA5 – ñôåðè÷åñêèå çåðêàëà ìíîãîïðîõîäîâîãî óñèëèòåëÿ; TiSa – êðèñòàëë òèòàí-ñàïôèðà, ÌA7, ÌA8 – çåðêàëüíûé òåëåñêîï; S1 – âðàùàòåëü ïîëÿðèçàöèè, S2 – ïîëÿðèçàòîð; MP1, MP2 – ïëîñêèå çåðêàëà; L4, L5 – ëèíçîâûé òåëåñêîï; L6 – ëèíçà, ôîêóñèðóþùàÿ íàêà÷êó íà êðèñòàëë; GC1, GC2 – ðåøåòêè êîìïðåññîðà; MC1, MC2 – ïëîñêèå çåðêàëà; Ê – çåðêàëüíûé óãîëêîâûé îòðàæàòåëü, MÅ1 – ïëîñêîå çåðêàëî, ÀC – àâòîêîðåëÿòîð ASF-20.
K
ýíåðãèè â êðèñòàëëå óñèëèòåëÿ ïîðÿäêà 4 Äæ/ñì2 â ïó÷êå äèàìåòðîì 600–700 ìêì, ÷òî ñîîòâåòñòâóåò
óñèëåíèþ ïîëÿ ïðèáëèçèòåëüíî â 8 ðàç çà ïåðâûé
ïðîõîä â óñèëèòåëå.
Ïîñëå óñèëèòåëÿ èçëó÷åíèå ïîñòóïàåò íà êîìï-
ðåññîð, ñîñòîÿùèé èç äâóõ äèôðàêöèîííûõ ðåøå-
òîê è âåðòèêàëüíîãî óãîëêîâîãî îòðàæàòåëÿ äëÿ
îáåñïå÷åíèÿ äâîéíîãî ïðîõîäà ÷åðåç ðåøåòêè. Ïó-
÷îê, âûõîäÿùèé èç êîìïðåññîðà, ðàñïðîñòðàíÿåòñÿ
ïàðàëëåëüíî âõîäíîìó ïó÷êó.
Èçëó÷åíèå, âûøåäøåå èç êîìïðåññîðà, àíàëèçè-
ðîâàëîñü ñ ïîìîùüþ ñïåêòðîìåòðà ASP100 è îäíî-
èìïóëüñíîãî ôåìòîñåêóíäíîãî àâòîêîððåëÿòîðà;
èçìåðåíèÿ ñðåäíåé ìîùíîñòè ïðîâîäèëèñü ñ èñ-
ïîëüçîâàíèåì êàëèáðîâàííûõ êàëîðèìåòðîâ èëè
ïîëóïðîâîäíèêîâûõ ôîòîïðèåìíèêîâ.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 10, 2008
37
Íà âûõîäå ÔËÑ èìïóëüñû èçëó÷åíèÿ èìåëè ñëåäóþùèå ïàðàìåòðû:
– äëèòåëüíîñòü 30–40 ôñ, – øèðèíà ñïåêòðà èçëó÷åíèÿ (ïî ïîëîâèííîìó óðîâíþ èíòåíñèâíîñòè) ìåíåå 30 íì, – ýíåðãèÿ â îäèíî÷íîì ëàçåðíîì èìïóëüñå íå ìåíåå 1 ìÄæ, – äèàìåòð ïó÷êà íà âûõîäå èç êîìïðåññîðà (ïî ïîëîâèííîìó óðîâíþ èíòåíñèâíîñòè) 5 ìì, – ðàñõîäèìîñòü èçëó÷åíèÿ íå õóæå 10–3 ðàä, – ÷àñòîòà ñëåäîâàíèÿ èìïóëüñîâ 50 Ãö. Äëÿ ïðåîáðàçîâàíèÿ âî âòîðóþ ãàðìîíèêó (λ = = 400 íì) èçëó÷åíèÿ ÔËÑ èñïîëüçîâàëñÿ íåëèíåéíî-îïòè÷åñêèé êðèñòàëë áåòà-áîðàòà áàðèÿ (β-BBO) òîëùèíîé 200 ìêì, ýôôåêòèâíîñòü ïðåîáðàçîâàíèÿ ïðè ýòîì äîñòèãàëà 25%. Ôåìòîñåêóíäíàÿ âîëîêîííàÿ ñèñòåìà EFOA–SH èñïîëüçóåò â êà÷åñòâå àêòèâíîé ñðåäû âîëîêíà, ëåãèðîâàííûå èîíàìè Er 3+, è âêëþ÷àåò çàäàþùèé êîëüöåâîé âîëîêîííûé ëàçåð ñ ïàññèâíîé ñèíõðîíèçàöèåé ìîä, âîëîêîííûé óñèëèòåëü ñ íàêà÷êîé äâóìÿ ëàçåðíûìè äèîäàìè, ïðèçìåííûé êîìïðåññîð äëÿ âðåìåííîãî ñæàòèÿ èìïóëüñîâ ïîñëå óñèëèòåëÿ è áëîêà óäâîåíèÿ îïòè÷åñêîé ÷àñòîòû. Íà âûõîäå ñèñòåìû èìïóëüñû èìåþò ñëåäóþùèå ïàðàìåòðû: äëèíû âîëí – 1560 è 780 íì, äëèòåëüíîñòü îäèíî÷íîãî èìïóëüñà ìåíåå 120 ôñ, øèðèíà ñïåêòðà ïðèìåðíî 7,5 íì, ÷àñòîòà ñëåäîâàíèÿ – 50 ÌÃö, ñòàáèëüíîñòü ÷àñòîòû ñëåäîâàíèÿ – 0,0001%, ñðåäíÿÿ âûõîäíàÿ ìîùíîñòü áîëåå 120 ìÂò äëÿ λ = 1560 íì, áîëåå 40 ìÂò äëÿ λ = 780 íì; ýíåðãèÿ îäèíî÷íîãî èìïóëüñà – 2,4 íÄæ äëÿ λ = 1560 íì, 0,8 íÄæ äëÿ λ = 780 íì; äèàìåòð ïó÷êà íà âûõîäå ñèñòåìû – 5 ìì. Îáîáùåííàÿ ñõåìà óñòàíîâêè äëÿ ãåíåðàöèè ÒÃö èçëó÷åíèÿ ñ èñïîëüçîâàíèåì ðàçëè÷íûõ ìåòîäîâ ïðèâåäåíà íà ðèñ. 2. Äèàìåòð ïó÷êà ÒÃö èçëó÷åíèÿ ñ öåíòðàëüíîé äëèíîé âîëíû λ íà ðàññòîÿíèè L îò èçëó÷àþùåé ïîâåðõíîñòè ãåíåðàòîðà ìîæíî îöåíèòü ïî ôîðìóëå D(L) = Lsinθ, ãäå θ = 1,22λ/2r0 – äèôðàêöèîííàÿ ðàñõîäèìîñòü ïó÷êà ðàäèóñîì r0, êîòîðûé îïðåäåëÿåòñÿ ðàçìåðîì âîçáóæäàåìîé îáëàñòè. Âû÷èñëåíèÿ ïîêàçûâàþò, ÷òî äëÿ λ = 300 ìêì (1 ÒÃö) è 2r0 = 500 ìêì íà ðàññòîÿíèè 120 ìì îò ãåíåðàòîðà ÒÃö èçëó÷åíèÿ ïó÷îê èìååò äèàìåòð 80 ìì. Ïîýòîìó äëÿ ïðîâåäåíèÿ ýêñïåðèìåíòîâ ñ ýòèì èçëó÷åíèåì ìû èñïîëüçîâàëè ïàðàáîëè÷åñêèå çåðêàëà ñ ãëàâíûì ôîêóñîì 120 ìì è àïåðòóðîé 90 ìì. Ôèëüòð èç ÷åðíîãî òåôëîíà èñêëþ÷àë ïîïàäàíèå íà äåòåêòîð îïòèêî-àêóñòè÷åñêîãî ïðèåìíèêà (ÎÀÏ) èçëó÷åíèÿ íàêà÷êè. Èçìåðåíèå ñðåäíåé ìîùíîñòè ãåíåðèðóåìîãî ÒÃö èçëó÷åíèÿ ïðîâîäèëîñü íåñåëåê-
(à) 87
6
5 4
3
9 2
(á) InAs′
(â)
1
Ðèñ. 2. à – îïòè÷åñêàÿ ñõåìà äëÿ èçìåðåíèÿ ñðåäíåé ìîùíîñòè ÒÃö èçëó÷åíèÿ. 1 – ÔËÑ, 2 – ìîäóëÿòîð, 3 – ëèíçà, 4 – êðèñòàëë β-ÂÂÎ, 5 – ãåíåðàòîð ÒÃö èçëó÷åíèÿ, 6 è 8 – ïàðàáîëè÷åñêèå çåðêàëà, 7 – ôèëüòð, 9 – ÎÀÏ. á – ìàãíèòíàÿ ñèñòåìà, â êîòîðóþ ïîìåùàëñÿ îáðàçåö; â – êðèñòàëë N-4-äèìåòèëàìèíî-4-N–ìåòèë-ñòèëáàçîë òîçèëàòà (DAST).
òèâíûì ÎÀÏ ñ âíóòðåííèìè ôèëüòðàìè, ïðîïóñêàþùèìè ýëåêòðîìàãíèòíîå èçëó÷åíèå â äèàïàçîíå 50– 600 ìêì. ÎÀÏ ïðåäñòàâëÿë ñîáîé ãåðìåòè÷íóþ êàìåðó, çàïîëíåííóþ êñåíîíîì, â êîòîðîé ðàñïîëàãàëèñü ñïåêòðàëüíî-íåñåëåêòèâíûé ïîãëîòèòåëü èçëó÷åíèÿ è îïòè÷åñêèé ìèêðîôîí. Ýëåêòðè÷åñêèé ñèãíàë ñ îïòè÷åñêîãî ìèêðîôîíà ïîñòóïàë íà óñèëèòåëü ñ êîýôôèöèåíòîì óñèëåíèÿ äî 104 è çàòåì íà ñèíõðîííûé äåòåêòîð, ñâÿçàííûé ñ ìîäóëÿòîðîì âõîäíîãî îïòè÷åñêîãî èçëó÷åíèÿ. Ìèíèìàëüíûé óðîâåíü ìîùíîñòè, ðåãèñòðèðóåìîé âûøåîïèñàííîé ïðèåìíîé ñèñòåìîé, ñîñòàâëÿë ïðèìåðíî 1 íÂò.
Äëÿ ñîçäàíèÿ ìàãíèòíîãî ïîëÿ, ïàðàëëåëüíîãî ïîâåðõíîñòè ïîëóïðîâîäíèêîâîãî êðèñòàëëà, êîòîðîå íàèáîëåå ýôôåêòèâíî äëÿ ãåíåðàöèè ÒÃö èçëó÷åíèÿ, îáðàçåö ïîìåùàëñÿ â ñïåöèàëüíî ðàçðàáîòàííóþ ìàãíèòíóþ ñèñòåìó íà îñíîâå êîìïîçèòà Nd:B:Fe ñ íàïðÿæåííîñòüþ ìàãíèòíîãî ïîëÿ 1,8 êÝ â òî÷êå âîçáóæäåíèÿ ÒÃö èçëó÷åíèÿ (ðèñ. 2á). Ìàãíèòíàÿ ñèñòåìà ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé âåðòèêàëüíûé öèëèíäð äèàìåòðîì 100 ìì è âûñîòîé 140 ìì ñ äâóìÿ ãîðèçîíòàëüíûìè êëèíîâèäíûìè âûåìêàìè, ñî-
38 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 10, 2008
îáùàþùèìèñÿ â öåíòðå ìàãíèòíîé ñèñòåìû, âûñîòîé 10,5 ìì. Ïîëóïðîâîäíèêîâûé êðèñòàëë ðàçìåùàëñÿ â öåíòðå öèëèíäðà íà åãî îñè ñ òàêèì ðàñ÷åòîì, ÷òîáû èçëó÷åíèå íàêà÷êè ïàäàëî íà íåãî ÷åðåç îäíî îòâåðñòèå, à îòðàæåííîå è ÒÃö èçëó÷åíèå âûõîäèëî ÷åðåç äðóãîå.
 êà÷åñòâå ãåíåðàòîðîâ ÒÃö èçëó÷åíèÿ ìû èñïîëüçîâàëè íåëåãèðîâàííûé ïîëóïðîâîäíèêîâûé êðèñòàëë àðñåíèäà èíäèÿ InAs, ïîìåùåííûé â ìàãíèòíîå ïîëå; ýëåêòðîîïòè÷åñêèé êðèñòàëë ZnTe; îðãàíè÷åñêèé êðèñòàëë DAST (ðèñ. 2â); îïòè÷åñêóþ èñêðó â âîçäóõå.
Ïðè ôîêóñèðîâêå èìïóëüñîâ ÔËÑ ñ ýíåðãèåé
îäèíî÷íîãî èìïóëüñà äî 1 ìÄæ è ñðåäíåé ìîùíîñ-
òüþ äî 50 ìÂò íà ïîâåðõíîñòü InAs â ìàãíèòíîé
ñèñòåìå ïðîèñõîäèëî óâåëè÷åíèå ìàêñèìàëüíîé ýôôåêòèâíîñòè ïðåîáðàçîâàíèÿ äî η ≈ 10–5. Ïðè èñ-
ñëåäîâàíèè çàâèñèìîñòè ñðåäíåé ìîùíîñòè ÒÃö
èçëó÷åíèÿ îò ñðåäíåé ìîùíîñòè îò÷åòëèâî íàáëþ-
äàëîñü íàñûùåíèå ïðè ïëîòíîñòè ìîùíîñòè èçëó÷åíèÿ 10–4 Äæ/ñì2 èëè ïðè ïîòîêå èçëó÷åíèÿ 1014 ôîòîíîâ/ñì2, ïðèáëèçèòåëüíî ñîîòâåòñòâóþùåé
êîëè÷åñòâó îñíîâíûõ íîñèòåëåé â ïðèïîâåðõíîñò-
íîì ñëîå êðèñòàëëà.
Ýêñïåðèìåíòàëüíûå ðåçóëüòàòû
Ôîòîïðîâîäÿùàÿ àíòåííà
 êà÷åñòâå ÒÃö ãåíåðàòîðà èçëó÷åíèÿ èñïîëüçîâàëñÿ íåëåãèðîâàííûé êðèñòàëë àðñåíèäà èíäèÿ InAs, âûðåçàííûé â ïëîñêîñòè [100] è ïðåäñòàâëÿþùèé ñîáîé ïëàñòèíó ðàçìåðàìè 5×5 ìì è òîëùèíîé 300 ìêì. Êîíöåíòðàöèÿ îñíîâíûõ íîñèòåëåé â êðèñòàëëå ñîñòàâëÿëà ïðèìåðíî 3×1016 ñì–3, ïîäâèæíîñòü ýëåêòðîíîâ – 3×104 ñì2/ ñ.
Äëÿ óâåëè÷åíèÿ ïëîòíîñòè ýíåðãèè èçëó÷åíèå ôåìòîñåêóíäíîãî ëàçåðà ëèíçîé ñ f = 100 ñì ôîêóñèðîâàëîñü íà ïîâåðõíîñòè êðèñòàëëà â ïÿòíî äèàìåòðîì 500 ìêì, ïðè ýòîì ïëîñêîñòü êðèñòàëëà InAs ðàñïîëàãàëàñü ïîä óãëîì 45° ê ïàäàþùåìó ïó÷êó, ïîñêîëüêó âñëåäñòâèå áîëüøîãî çíà÷åíèÿ ïîêàçàòåëÿ ïðåëîìëåíèÿ äëÿ äàëüíåãî ÈÊ äèàïàçîíà ÒÃö èçëó÷åíèå èñïûòûâàåò ïîëíîå âíóòðåííåå îòðàæåíèå è îòðàæåííîå èçëó÷åíèå ìîæåò áûòü ïîëíîñòüþ íàïðàâëåíî íà ïàðàáîëè÷åñêîå çåðêàëî.
Ïðè ôîêóñèðîâêå èìïóëüñîâ Çà ÔËÑ ñ ýíåðãèåé îäèíî÷íîãî èìïóëüñà äî 1 íÄæ è ñðåäíåé ìîùíîñòüþ 50 ìÂò íà ïîâåðõíîñòü InAs áåç ìàãíèòíîãî ïîëÿ ðåãèñòðèðîâàëîñü ÒÃö èçëó÷åíèå ñî ñðåäíåé ìîùíîñòüþ 2 íÂò. Ïîìåùåíèå InAs â ìàãíèòíîå ïîëå íàïðÿæåííîñòüþ 1,8 êÝ â íàïðàâëåíèè, ïàðàëëåëüíîì ïîâåðõíîñòè êðèñòàëëà, ïðèâîäèëî ê óâåëè÷åíèþ ìîùíîñòè ãåíåðèðóåìîãî èçëó÷åíèÿ äî 150 íÂò. Çàâèñèìîñòü ñðåäíåé ìîùíîñòè ÒÃö èçëó÷åíèÿ îò ñðåäíåé ìîùíîñòè íàêà÷êè êâàäðàòè÷íà, ÷òî ñîãëàñóåòñÿ ñ äàííûìè ýêñïåðèìåíòà [8] è òåîðèè [15] ïðè çíà÷åíèÿõ ïëîòíîñòè ýíåðãèè îïòè÷åñêîãî âîçáóæäåíèÿ íèæå ïëîòíîñòè íàñûùåíèÿ. Ìàêñèìàëüíàÿ ýôôåêòèâíîñòü ïðåîáðàçîâàíèÿ η, îïðåäåëÿåìàÿ êàê îòíîøåíèå èçëó÷àåìîé ñðåäíåé ìîùíîñòè ÒÃö èçëó÷åíèÿ WÒÃö ê ñðåäíåé ìîùíîñòè ïàäàþùåãî íà êðèñòàëë îïòè÷åñêîãî èçëó÷åíèÿ W0, áûëà ïîëó÷åíà ïðè çíà÷åíèè W0 = 100 ìÂò è ñîñòàâëÿëà η ≈ 10–6.
Îïòè÷åñêîå âûïðÿìëåíèå
Ïðè ôîêóñèðîâêå èìïóëüñîâ ÔËÑ ñ ýíåðãèåé îäèíî÷íîãî èìïóëüñà äî 1 ìÄæ è ñðåäíåé ìîùíîñòüþ äî 50 ìÂò è ïîñëå ïðîõîæäåíèÿ êðèñòàëëà ZnTe òîëùèíîé 4 ìì èëè DAST òîëùèíîé 100 ìêì ïðîèñõîäèëà ãåíåðàöèÿ ñïåêòðàëüíîãî ñóïåðêîíòèíóóìà [16], ïîýòîìó â ýêñïåðèìåíòàõ èñïîëüçîâàëñÿ èñõîäíûé ïó÷îê ëàçåðà äèàìåòðîì 5 ìì. Ïðè ýòèõ óñëîâèÿõ â êðèñòàëëå ZnTe áûëà ïîëó÷åíà ñðåäíÿÿ ìîùíîñòü ÒÃö èçëó÷åíèÿ, äîñòèãàþùàÿ 100 íÂò. Ïðè èñïîëüçîâàíèè êðèñòàëëà DAST â òîé æå ãåîìåòðèè è ïðè òåõ æå ïàðàìåòðàõ íàêà÷êè ñðåäíÿÿ ìîùíîñòü ÒÃö èçëó÷åíèÿ âîçðàñòàëà è äîñòèãàëà 800 íÂò. Êàê èçâåñòíî [10], DAST ÿâëÿåòñÿ îäíîîñíûì íåëèíåéíî-îïòè÷åñêèì êðèñòàëëîì, ñîîòâåòñòâåííî, ýôôåêòèâíîñòü ãåíåðàöèè ÒÃö èçëó÷åíèÿ çàâèñèò îò âçàèìíîãî ðàñïîëîæåíèÿ êðèñòàëëîãðàôè÷åñêèõ îñåé êðèñòàëëà DAST è ïîëÿðèçàöèè èçëó÷åíèÿ. Íà ðèñ. 3 ïðèâåäåíà çàâèñèìîñòü èíòåíñèâíîñòè ÒÃö èçëó÷åíèÿ îò óãëà ïîâîðîòà êðè-
I, îòí. åä.
0
315
6
45
3
0 270
–3
–6
225
–9
180
90 135
Ðèñ. 3. Çàâèñèìîñòü èíòåíñèâíîñòè ãåíåðàöèè ÒÃö èçëó÷åíèÿ I îò óãëà ïîâîðîòà êðèñòàëëà DAST.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 10, 2008
39
I, îòí. åä. 1
I, îòí. åä. 0,8
0,6 0,5
0 0 2 4 6 x, ñì
Ðèñ. 4. Ïðîôèëü ÒÃö ïó÷êà ïðè âîçáóæäåíèè â êðèñòàëëå DAST.
ñòàëëà. ×åòêî âûðàæåííûå ìàêñèìóìû ïîêàçûâàþò, ÷òî ýôôåêòèâíîñòü ãåíåðàöèè çàâèñèò îò âçàèìîðàñïîëîæåíèÿ îñåé êðèñòàëëà è ïîëÿðèçàöèè âîçáóæäàþùåãî èçëó÷åíèÿ. Íàïðàâëåíèå 0°–180° (ðèñ. 3) ñîîòâåòñòâóåò âåðòèêàëüíîé îñè êðèñòàëëà DAST íà ðèñ. 2â, ïðè ýòîì ïîëÿðèçàöèÿ èçëó÷åíèÿ íàêà÷êè áûëà ãîðèçîíòàëüíîé.
Âûñîêàÿ ýôôåêòèâíîñòü ïðåîáðàçîâàíèÿ â êðèñòàëëå DAST ïîçâîëèëà èçìåðèòü ïðîñòðàíñòâåííûé ïðîôèëü ïó÷êà ìåòîäîì íîæà Ôóêî (ðèñ. 4). Çíàÿ ïðîôèëü ïó÷êà ìåæäó ïàðàáîëàìè è ðàçìåðû âîçáóæäàåìîé îáëàñòè êðèñòàëëà, íåòðóäíî ðàññ÷èòàòü ÷àñòîòû, ïðèâíîñÿùèå ìàêñèìàëüíûé âêëàä â ñïåêòð èçëó÷åíèÿ. Èñõîäÿ èç äèôðàêöèîííûõ ðàñ÷åòîâ, áûëî ïîêàçàíî, ÷òî ìàêñèìóì ñïåêòðà ÒÃö èçëó÷åíèÿ ïðèõîäèòñÿ ïðèáëèçèòåëüíî íà ÷àñòîòó 1,2 ÒÃö.
Òàêæå áûëè ïðîâåäåíû ýêñïåðèìåíòû ïî âîçáóæäåíèþ ÒÃö èçëó÷åíèÿ â êðèñòàëëå DAST ñ èñïîëüçîâàíèåì èìïóëüñîâ ÔÂÑ ñ ýíåðãèåé îäèíî÷íîãî èìïóëüñà 0,8 íÄæ, ñðåäíåé ìîùíîñòüþ 40 ìÂò è äëèíîé âîëíû 780 íì.  ãåîìåòðèè ðèñ. 2 ñ èñïîëüçîâàíèåì ôîêóñèðîâêè èçëó÷åíèÿ íàêà÷êè ëèíçîé ñ f = 10 ñì â ïÿòíî äèàìåòðîì 50 ìêì áûëà ïîëó÷åíà ñðåäíÿÿ ìîùíîñòü ÒÃö èçëó÷åíèÿ äî 80 íÂò, ÷òî îòêðûâàåò ïåðñïåêòèâû èñïîëüçîâàíèÿ êîìïàêòíûõ èñòî÷íèêîâ ôåìòîñåêóíäíîãî èçëó÷åíèÿ äëÿ ÒÃö ïðèëîæåíèé. Ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî â ñõåìå ñ òîé æå ãåîìåòðèåé è òåìè æå ïàðàìåòðàìè ïîñëå ïðîõîæäåíèÿ ïó÷êà íàêà÷êè êðèñòàëëà ZnTe òîëùèíîé 4 ìì ñðåäíÿÿ ìîùíîñòü ÒÃö ñîñòàâëÿëà ëèøü 8 íÂò.
Ãåíåðàöèÿ ñ èñïîëüçîâàíèåì îïòè÷åñêîãî ïðîáîÿ
Ýêñïåðèìåíòû ïðîâîäèëèñü ïî ñõåìå ðèñ. 2, ïðè÷åì êðèñòàëë β-BBO, ãåíåðèðóþùèé èçëó÷åíèå âòîðîé ãàðìîíèêè (λ = 400 íì), äëÿ îáåñïå÷åíèÿ ñîâìåùåíèÿ èìïóëüñîâ ïåðâîé è âòîðîé ãàðìîíèê âî âðå-
0,4
0,2
0 30 60 x, ìì
Ðèñ. 5. Çàâèñèìîñòü ñðåäíåé ìîùíîñòè ÒÃö èçëó÷åíèÿ îò ñäâèãà êðèñòàëëà BBO âäîëü îñè ïó÷êà íàêà÷êè.
ìåíè ðàçìåùàëñÿ ìåæäó ëèíçîé è åå ôîêóñîì. Êðèñòàëë êðåïèëñÿ íà ëèíåéíûé òðàíñëÿòîð è ïåðåìåùàëñÿ âäîëü îñè ïó÷êà äëÿ îáåñïå÷åíèÿ òî÷íîãî ôàçîâîãî ñèíõðîíèçìà ìåæäó âîëíàìè ïåðâîé è âòîðîé ãàðìîíèê*.
 ýêñïåðèìåíòàõ èñïîëüçîâàëàñü ÔËÑ è ïîðîã îïòè÷åñêîãî ïðîáîÿ â âîçäóõå ïðîèñõîäèë ïðè ñóììàðíîé ýíåðãèè îäèíî÷íîãî èìïóëüñà ïåðâîé è âòîðîé ãàðìîíèêè ïîðÿäêà 100 ìêÄæ (ñðåäíÿÿ ìîùíîñòü 5 ìÂò). Îäíîâðåìåííî ñ ïðîáîåì ïîÿâëÿëîñü èçëó÷åíèå ÒÃö äèàïàçîíà è ñïåêòðàëüíîãî ñóïåðêîíòèíóóìà. Ïðè ïåðåìåùåíèè êðèñòàëëà BBO âäîëü îñè ïó÷êà â íàïðàâëåíèè ôîêóñà ëèíçû ñ f = 15 ñì íàáëþäàëîñü ñèíóñîèäàëüíîå èçìåíåíèå ñðåäíåé ìîùíîñòè ÒÃö èçëó÷åíèÿ ñ êîíòðàñòîì ñâûøå 50% (ðèñ. 5). Ïðè ìàêñèìàëüíîé ñóììàðíîé ýíåðãèè îäèíî÷íîãî èìïóëüñà ïåðâîé è âòîðîé ãàðìîíèêè WΣ ≈ 1 ìÄæ è ñðåäíåé ìîùíîñòè 50 ìÂò áûëà ïîëó÷åíà ñðåäíÿÿ ìîùíîñòü ÒÃö äî 20 íÂò, ïðè÷åì çàâèñèìîñòü ñðåäíåé ìîùíîñòè ÒÃö îò ñðåäíåé ìîùíîñòè íàêà÷êè áûëà áëèçêà ê ýêñïîíåíöèàëüíîé.
Ñèíóñîèäàëüíîå èçìåíåíèå ñðåäíåé ìîùíîñòè ÒÃö èçëó÷åíèÿ ïðè ïåðåìåùåíèè êðèñòàëëà BBO âäîëü îñè ïó÷êà ìîæíî îáúÿñíèòü ñëîæåíèåì ýëåêòðè÷åñêèõ ïîëåé âîëí ïåðâîé è âòîðîé ãàðìîíèê èçëó÷åíèÿ ÔËÑ è äâèæåíèåì ýëåêòðîíîâ ïëàçìû â
* Ðàñ÷åòû ïîêàçûâàþò, ÷òî ïðè ïðîõîæäåíèè äâóõöâåòíîãî èçëó÷åíèÿ ÷åðåç ëèíçó òîëùèíîé 10 ìì, âñëåäñòâèå äèñïåðñèè ñòåêëà è, ñîîòâåòñòâåííî, ðàçíûõ ãðóïïîâûõ ñêîðîñòåé äâóõ èìïóëüñîâ, èìïóëüñ ïåðâîé ãàðìîíèêè îïåðåæàåò èìïóëüñ âòîðîé íà 50 ôñ; ïðè ðàñïðîñòðàíåíèè â âîçäóõå äèñïåðñèÿ ìåæäó èìïóëüñàìè ïåðâîé è âòîðîé ãàðìîíèê ñîñòàâëÿåò 0,257 ôñ/ñì [http:// www.kayelaby.npl.co.uk/general_physics/2_5/2_5_7.html].
40 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 10, 2008
äàííîì áèãàðìîíè÷åñêîì ïîëå. Îá ýòîì ñâèäåòåëüñòâóåò òîò ôàêò, ÷òî ïåðèîä èçìåíåíèÿ, ðàâíûé 30 ìì, ñîîòâåòñòâóåò âðåìåíè çàäåðæêè 0,77 ôñ ìåæäó èìïóëüñàìè ïåðâîé è âòîðîé ãàðìîíèê èçëó÷åíèÿ ÔËÑ âñëåäñòâèå äèñïåðñèè âîçäóõà è ïðèáëèçèòåëüíî ñîîòâåòñòâóåò ïîëîâèíå ïåðèîäà êîëåáàíèÿ íà äëèíå âîëíû λ = 400 íì (T = 1,33 ôñ) è ÷åòâåðòè ïåðèîäà êîëåáàíèÿ íà äëèíå âîëíû λ = 800 íì (T = 2,67 ôñ).
Çàêëþ÷åíèå
 ðàáîòå ïðåäñòàâëåíû ýêñïåðèìåíòàëüíûå ðåçóëüòàòû è àíàëèç ãåíåðàöèè ÒÃö èçëó÷åíèÿ ñ èñïîëüçîâàíèåì ôåìòîñåêóíäíûõ ëàçåðíûõ èñòî÷íèêîâ: ãåíåðàöèÿ ôîòîïðîâîäÿùèìè ïîëóïðîâîäíèêîâûìè àíòåííàìè, íåëèíåéíî-îïòè÷åñêàÿ ãåíåðàöèÿ ðàçíîñòíîé ÷àñòîòû èëè îïòè÷åñêîå âûïðÿìëåíèå, ãåíåðàöèÿ ñ èñïîëüçîâàíèåì îïòè÷åñêîãî ïðîáîÿ â ãàçàõ ñ èñïîëüçîâàíèåì ôåìòîñåêóíäíûõ èìïóëüñîâ.  êà÷åñòâå ãåíåðàòîðîâ ÒÃö èçëó÷åíèÿ èñïîëüçîâàëèñü: íåëåãèðîâàííûé ïîëóïðîâîäíèêîâûé êðèñòàëë àðñåíèäà èíäèÿ InAs, ïîìåùåííûé â ìàãíèòíîå ïîëå, êàê ôîòîïðîâîäÿùàÿ àíòåííà; ýëåêòðîîïòè÷åñêèå êðèñòàëëû ZnTe è DAST; îïòè÷åñêàÿ èñêðà â âîçäóõå ïðè äâóõ÷àñòîòíîì âîçáóæäåíèè. Îïðåäåëåíî, ÷òî íàèáîëåå ïåðñïåêòèâíûì ãåíåðàòîðîì ÒÃö âîëí ÿâëÿþòñÿ êðèñòàëëû DAST, ýôôåêòèâíî ãåíåðèðóþùèå èìïóëüñíîå èçëó÷åíèå ñ öåíòðàëüíîé ÷àñòîòîé 1,2 ÒÃö äàæå ïðè âîçáóæäåíèè îòíîñèòåëüíî ìàëîìîùíûìè ëàçåðíûìè èñòî÷íèêàìè, ÷òî îòêðûâàåò ïåðñïåêòèâû èñïîëüçîâàíèÿ êîìïàêòíûõ èñòî÷íèêîâ ôåìòîñåêóíäíîãî èçëó÷åíèÿ äëÿ ïðèëîæåíèé.
Îáíàðóæåí ñèíóñîèäàëüíûé õàðàêòåð çàâèñèìîñòè ñðåäíåé ìîùíîñòè ÒÃö èçëó÷åíèÿ îò ïåðåìåùåíèÿ êðèñòàëëà BBO âäîëü îñè ïó÷êà ïðè ãåíåðàöèè ñ èñïîëüçîâàíèåì îïòè÷åñêîãî ïðîáîÿ, ÷òî îáúÿñíÿåòñÿ âëèÿíèåì ñëîæåíèÿ ýëåêòðè÷åñêèõ ïîëåé âîëí ïåðâîé è âòîðîé ãàðìîíèê è îáðàçîâàíèåì ïëàçìû.
Ðàáîòà âûïîëíåíà ïðè ïîääåðæêå ãðàíòàìè ÐÔÔÈ ¹ 06-02-08317-îôè, ¹ 06-02-17303-à, ¹ 0702-13562-îôè_ö. Àâòîðû âûðàæàþò áëàãîäàðíîñòü Þ.Ý. Áóðóíêîâîé çà èçãîòîâëåíèå è ïðåäîñòàâëåíèå îáðàçöîâ êðèñòàëëîâ DAST.
ËÈÒÅÐÀÒÓÐÀ
11. Reimann K. Table-top sources of ultrashort THz pulses // Rep. Prog. Phys. 2007. V. 70. P1597–1632.
12. Pickwell E., Wallace V.P. Biomedical applications of terahertz technology // J. Phys. D: Appl. Phys. 2006. V. 39. R301–R310.
13. Newnham D.A., Taday P.F. Pulsed terahertz attenuated total reflection spectroscopy // Appl. Spectrosc. 2008. V. 62. P. 394–398.
14. Kress M., Lî..ffler T., Eden S., Thomson M., Roskos H.G. Terahertz-pulse generation by photoionization of air with laser pulses composed of both fundamental and secondharmonic waves // Opt. Lett. 2004. V. 29. P. 1120–1122.
15. Auston D.H. Picosecond optoelectronic switching and gating in silicon // Appl. Phys. Lett. 1975. V. 26. P. 101–103.
16. Mittleman D.M., Gupta M., Neelamani R., Baraniuk R.G., Rudd J.V., Koch M. Recent advances in terahertz imaging // Appl. Phys. 1999. V. 68. P. 1085–1094.
17. Áåñïàëîâ Â.Ã., Êðûëîâ Â.Í., Ïóòèëèí Ñ.Ý., Ñòàñåëüêî Ä.È. Ãåíåðàöèÿ èçëó÷åíèÿ â äàëüíåì ÈÊ äèàïàçîíå ñïåêòðà ïðè ôåìòîñåêóíäíîì îïòè÷åñêîì âîçáóæäåíèè ïîëóïðîâîäíèêà InAs â ìàãíèòíîì ïîëå // Îïò. è ñïåêòð. 2002. Ò. 93. ¹ 1. C. 158–162.
18. Sarukura N., Ohtake H., Izumida S., Liu Z. High averagepower THz radiation from femtosecond laser-irradiated InAs in a magnetic field and its elliptical polarization characteristics // J. Appl. Phys. 1998. V. 84. P. 654–656.
19. Hebling J., Yeh K.-L., Hoffmann M.C., Bartal B., Nelson K.A. Generation of high-power terahertz pulses by tilted-pulse-front excitation and their application possibilities // JOSA. 2008. V. B25. B6–B19.
10. Mori Y., Takahashi Y., Iwai T., Yoshimura M., Khin Yap Y., Sasaki T. Slope nucleation method for the growth of highquality 4-dimethylamino-methyl-4-stilbazolium-tosylate (DAST) crystals // Jpn. J. Appl. Phys. 2000. V. 39. P. L1006–L1008.
11. Schneider A., Neis M., Stillhart M., Ruiz B., Khan R. U.A., Gunter P. Generation of terahertz pulses through optical rectification in organic DAST crystals: theory and experiment // JOSA. 2006. V. B23. P. 1822–1835.
12. Cook D.J., Hochstrasser R.M. Intense terahertz pulses by four-wave rectification in air // Opt. Lett. 2000. V. 25. P. 1210–1212.
13. Xie X., Xu J., Dai J., Zhang X.C. Enhancement of terahertz wave generation from laser induced plasma // Appl. Phys. Lett. 2007. V. 90. P. 141104.
14. Kim K.-Y., Yellampalle B., Glownia J.H., Taylor A., Rodriguez G. Intense Coherent Terahertz Radiation from Two-Color Photocurrent Mixing in Atmospheric Air // Optical Terahertz Science and Technology. OSA Technical Digest Series (CD) (Optical Society of America, 2007). Ðaper TuD7.
15. Benicewicz P.K., Roberts J.P., Taylor A.J. Scaling of teraherz radiation from large-aperture biased photoconductors // JOSA. Â. 1994. V. 11. ¹ 12. P. 2533–2546.
16. Æåëòèêîâ À.Ì. Äà áóäåò áåëûé ñâåò: ãåíåðàöèÿ ñóïåðêîíòèíóóìà ñâåðõêîðîòêèìè ëàçåðíûìè èìïóëüñàìè // ÓÔÍ. 2006. Ò. 176. Ñ. 623–640.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 10, 2008
41