Генерация терагерцового излучения методом оптического

О ГЕНЕРАЦИИ
ТЕРАГЕРЦОВОГО
ИЗЛУЧЕНИЯ МЕТОДОМ
ОПТИЧЕСКОГО
ВЫПРЯМЛЕНИЯ
С.В. Сазонов
ЦФИ
Лаборатория
нестационарных процессов
Терагерцовый диапазон охватывает частоты
от ~0.1 до ~1 ТГц.
Данный диапазон лежит между СВЧ и
инфракрасной областью
Длины волн лежат в интервале от 0.1 мм до 1 мм.
Частоте ~1 ТГц соответствует энергия кванта
порядка нескольких миллиэлектроновольт.
Данная энергия соответствует температуре
порядка 10 К.
Терагерцовые частоты соответствуют
нормальным колебательным и колебательновращательным модам молекул.
ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЙ ТЕРАГЕРЦОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Обнаружение наркотиков и взрывчатки (основано на поглощении
терагерцового излучения колебательными модами молекул, а также
на его прохождении сквозь пластмассу, дерево, одежду) 
терагерцовая широкополосная спектроскопия - ИСПОЛЬЗУЕТСЯ
Восстановление изображений (в дополнение к рентгеновским
снимкам) объектов, невидимых для рентгена – молекулярных
соединений, биологических тканей и т.д. - ИСПОЛЬЗУЕТСЯ
Космическая связь (основано на прохождении терагерцового
излучения сквозь ионосферу в ночное и дневное время) –
ДИСКУТИРУЕТСЯ (сложность: поглощение излучения в атмосфере
парами воды, малые мощности имеющихся источников)
Диагностика плазмы в установках термоядерного синтеза
Что еще: медицина,…………………………………………………..???
Кристалл с квадратичной
нелинейностью
P   E   E  ...
(2)
2
E  E1 cos 1t  k1 z   E2 cos 2t  k2 z 
P
2 1 
  (2) E1E2 cos 2  1  t   k2  k1  z   PT cos T t  kT z 
T  2  1
k T  k 2  k1
С.А. Ахманов, Р.В. Хохлов, ЖЭТФ 43, 351 (1962).
Генерация разностной частоты в нелинейном
кристалле: T  2  1
Частоты 2 и
1 лежат в оптическом диапазоне, аT
- в терагерцовом.
Переход от двух монохроматических волн оптического
диапазона к фемтосекундному лазерному импульсу.
Если длительность импульса 100 фемтосекунд, то в его спектре
содержатся частоты, на разности которых может генерироваться
терагерцовое излучение.
Терагерцовый импульс содержит порядка одного периода колебаний, т.е.
является широкополосным в спектральном смысле. Генерируется
терагерцовый суперконтинуум (центральная частота спектра и его ширина
– величины одного порядка) Это является преимуществом при
использовании таких сигналов в терагерцовой спектроскопии и в системах
безопасности: по частотным провалам в спектре ТГц на выходе из
зондируемого объекта можно определить его содержимое.
 p - длительность импульса
Спектральная ширина  1/  p ~ 2  1  T
Переход от непрерывного двухчастотного
воздействия к импульсному режиму
 p - длительность импульса
Спектральная ширина  1/  p ~ 2  1  T
Черенковское условие генерации
 (k )   (k  k T )  T (k T )
 (k  k T )   (k )  k T
cos  
v ph (T )
vg ( )

  (k )  k T  v g
k

У.А. Абдуллин, Г.А. Ляхов, О.В. Руденко,
А.С. Чиркин, ЖЭТФ 66, 1295 (1974). (теория)
T p ~ 1
Д.А. Багдасарян, А.О. Макарян., П.С. Погосян, Письма в
ЖЭТФ, 37, 498 (1983).
D.H. Auston, K.P. Cheung, J.A. Valdmanis, and
D.A. Kleinman, Phys. Rev. Lett., 53(1984), 1555.
(эксперименты)
Условие генерации имеет черенковский характер: групповая
скорость входного оптического импульса должна превышать
фазовую скорость генерируемого терагерцового сигнала.
Из-за рассеивания терагерцового излучения в черенковский 6
конус эффективность генерации по энергии невелика: ~ 10
Для повышения эффективности в настоящее время
используют оптические импульсы с наклонными фронтами:
угол между фазовым и групповым волновыми фронтами
равен черенковскому углу (J.Hebling, G. Almasi. and I.Z. Cosma. Optics
Express, 10, 1161 (2002) (эксперимент); А.Г. Степанов, А.А. Мельников,
В.О. Компанец, С.В. Чекалин, Письма в ЖЭТФ, 85, 279 (2007)
(эксперимент)).
5
10
Эффективность генерации увеличивается до
Одновременное присутствие механизмов ВКР и квадратичной
нелинейностей доводит эффективность до ~ 0.001 (Fülöp J.A.,
Pálfalvi L., Klingebiel S., et al. Opt. Lett., 37, 557 (2012)).
Использование оптических сигналов с
наклонными фронтами
Hebling J., Almasi G. and Cosma I.Z. Optics Express, 10,
1161 (2002).
Kitaeva G. Kh. Laser Phys. Lett., 5, 559 (2008).
Fülöp J.A., Pálfalvi L., Almási G. and Hebling J. Optics Express,
18, 12311 (2010).
Bakunov M.I., Bodrov S.B. and Mashkovich E.A. JOSA B, 28,
1724 (2011).
Fülöp J.A., Pálfalvi L., Hoffmann M.C. and Hebling J. Optics
Express, 19, 15090 (2011).
Hirori H., Doi A., Blanchard F. and Tanaka K. Appl. Phys. Lett.,
98, 091106 (2011).
Fülöp J.A., Pálfalvi L., Klingebiel S., et al. Opt. Lett., 37, 557
(2012).
Stepanov A.G., Henin S., Petit Y., et al. Appl. Phys. B, 101, 11
(2010).
Красный сдвиг несущей частоты
А.Г. Степанов, А.А. Мельников, В.О. Компанец, С.В.
Чекалин, Письма в ЖЭТФ 85(2007), 279. (эксперимент)
Сазонов С.В., Соболевский А.Ф. Квант. электрон., 35,
1019 (2005).
Hattori T. and Takeuchi K. Optics Express, 15, 8076
(2007).
Бугай А.Н., Сазонов С.В. Письма в ЖЭТФ, 87, 470
(2008).
Бугай А.Н., Сазонов С.В., Шашков А.Ю. Квант.
электрон. 42, 1027 (2012) (теория)
k2  2

i

  u
2
z
2 

ET
ET


2

 
   g (T )ET  z ,  T  dT
z


 0
 
g (T ) ~ exp( T )sin iT

v g  n02
1

 
 2
2
2  c
v g 
  t  z / vg
Солитонное решение
tz/v
 ~ exp  i     z   sech 

 
p




2 tz/v
ET ~ sech 

 
p


1 1
  k2
v vg
Численный анализ
 ,
ET
 ,
ET
0
z  vg t
F ( )
2
0


ВЛИЯНИЕ ФАЗЫ СВЕТОВОГО ИМПУЛЬСА

P lin ( z, t )    (t ) E ( z, t  t )dt 
0


0
0
P non ( z , t )   dt2   2 (t1, t2 ) E ( z , t  t1)E ( z , t  t2 )dt1
E ( z, t )  ET ( z, t )  ( z, t )e
i ( t  no z / c )
  ( z , t )e

 i ( t  no z / c )
  1  
k3  3
k2  2
ET

2
i



i

aE


ib


i

E





T
T
2
3
 z v t 
2 t
6 t
t
t
g


 
ET 1 ET
 3 ET
ET


  3   ET


z vg t
t
t
t
2
   
  
 ig 


t 
t
t 
С.В. Сазонов, А.П. Сухоруков //
Письма в ЖЭТФ. 2013. Т. 98. № 12. С. 871 – 876.
С.В. Сазонов, А.П. Сухоруков, Н.В. Устинов //
Письма в ЖЭТФ. 2014. Т. 100. № 10, С. 703 – 707.
m
Eopt
0
t  nT z / c
ET
0
t  nT z / c
Eopt
0
m
t  nT z / c
ET
0
t  nT z / c
Eopt
0
ET
0
t  nT z / c
m
t  nT z / c
УРАВНЕНИЕ КОРТЕВЕГА – ДЕ ВРИЗА И ЕГО
СОЛИТОН
ET 1 ET
 3 ET
ET


  ET
3
z vT t
t
t
tz/v
ET   2 sech 


 p
 p 
3
2
1 1 
  2
v vT  p
G ( )
2
0

G ( )
0
2
i

Условие синхронизма в присутствии
резонансных примесей

0
 n
 p2
1  4 d 2 n
T

1 

2 2
vg ( ) 
1




 0   p  c

A.N. Bugay and S.V. Sazonov, Phys. Lett. A 374, 1093 (2010).
Система уравнений в присутствии резонансных
примесей
k2  2

i

  ET  qR
2
z
2 
 
ET
ET


 

z


2




 g (T )E  z,  T  dT
T
0
R
 i 0    R  i W
t
W i 
  R  R 
t
2
,
,
ET
ET
0
0
W
z  vg t
a
W
1
1
0
0
1
z  vg t
1
z  vg t
b
z  vg t
Несимметричные резонансные примеси,
обладающие постоянным дипольным
моментом
А.Н. Бугай, С.В. Сазонов, Письма в ЖЭТФ 92, 260 (2010).
Итоговый обзор по проекту РФФИ 09 – 02 – 00503а:
С.В.Сазонов, Письма в ЖЭТФ 96, 281 (2012).
k2  2

i

  ET  qR
2
z
2 
 

ET
ET


W
2

 
   g (T )ET  z ,  T  dT   D
z


 0

R 
D 
 i  0    ET  R  i W
t


W i 
  R  R 
t
2
Генерация в присутствии вынужденного
комбинационного рассеяния

M
  v

  v
P
(2)

(2)
 Ein cos t  kz   Es cos  (  v )t  ks z 
  v
2
  v
PT   (2) Ein Es cos vt  (k  ks ) z 
M. Nagai, E. Matsubara, and M. Ashida, Optics Express 20, 6509 (2012).
Параметр нелинейности
~
dE
0
Bakunov M. I. and Bodrov S. B. JOSA B, 11, 2549 (2014)
Bakunov M.I., Bodrov S.B. and Mashkovich E.A. JOSA B, 28, 1724 (2011).
Fülöp J.A., Pálfalvi L., Hoffmann M.C. and Hebling J. Optics Express, 19, 15090
(2011).
Hirori H., Doi A., Blanchard F. and Tanaka K. Appl. Phys. Lett., 98, 091106 (2011).
E ~1 MV/cm
d ~ 1 Дб
0 ~ 1012 c 1
 ~ 1  10
Наши предложения:
Существенно повысить эффективность генерации можно
путем внедрения в нелинейный кристалл резонансных
примесных центров
Вместе с этим можно, как дополнительный фактор,
использовать механизм ВКР. Это обстоятельство позволит
расширить частотный спектр генерируемого терагерцового
излучения
Теоретически показано, что резонансные примеси,
внедренные в кристалл, за счет нелинейного механизма
самоиндуцированной прозрачности способны замедлить
групповую скорость оптического импульса до фазовой
скорости генерируемого терагерцового сигнала. Это, в свою
очередь, может привести к повышению эффективности
генерации по энергии до 0.001 – 0.01.
НЕОБХОДИМО РАЗВИВАТЬ
НЕЛИНЕЙНУЮ ТЕРАГЕРЦОВУЮ
ОПТИКУ
ИЛИ
СВОЯ РУБАШКА БЛИЖЕ К ТЕЛУ,
А ТАКЖЕ
КАЖДЫЙ КУЛИК СВОЕ БОЛОТО
ХВАЛИТ
36
Спасибо за внимание !