Органический нелинейный кристалл с оптическим тонкопленочным покрытием для эффективной генерации терагерцовых волн

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 15082 (2022) Цитировать эту статью

1806 Доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

В процессе генерации терагерцовой (ТГц) волны путем оптического выпрямления инфракрасных фемтосекундных импульсов в нелинейном оптическом кристалле мощность терагерцовой волны прямо пропорциональна квадрату мощности оптической накачки. Следовательно, мощные терагерцовые волны можно генерировать с помощью мощного фемтосекундного лазера при условии, что кристалл имеет как высокий порог лазерного разрушения, так и коэффициент оптической нелинейности. Однако при этом теряется значительная часть мощности накачки из-за отражения Френеля на границе воздух-кристалл. В этой статье мы численно и экспериментально демонстрируем, что слой оптической тонкой пленки под названием Cytop на кристалле 4-N, N-диметиламино-4'-N'-метилстильбазолия тозилата (DAST) эффективно снижает потери мощности накачки на отражение. , тем самым увеличивая эффективность излучения ТГц волн кристалла DAST. Мы обнаружили, что средняя мощность ТГц волны, излучаемой кристаллом с тонкопленочным покрытием, примерно на 28% выше, чем ТГц мощность, излучаемая кристаллом без покрытия, когда используется равное количество мощности лазера. Кристаллы DAST с тонкопленочным покрытием могут использоваться не только в терагерцовых измерительных системах, но и в оптических устройствах, таких как модуляторы и волноводы.

The applications of terahertz (THz) wave have been expanding at an enormous speed in various fields such as biomedical engineering, non-destructive testing, high speed communication and ultrafast spectroscopy1,2,3,4. In these applications, it is important to use a highly efficient terahertz wave source to improve the performance of the measurement system. Various sources such as photoconductive antenna5, non-linear optical crystals6, quantum cascade lasers7 have been developed to emit terahertz wave. Moreover, other sources based on laser plasma interaction8, terahertz spintronics9 and terahertz superconductors10 are also being investigated. Among them, nonlinear optical crystals are very promising for broadband THz wave generation via optical rectification zinc-blende crystals. App. Phys. Lett. 64, 1324–1326 (1994)." href="/articles/s41598-022-17893-7#ref-CR11" id="ref-link-section-d65119338e574"> 11, генерация разностной частоты12 и оптические параметрические процессы13. В частности, оптическое выпрямление фемтосекундных (фс) лазерных импульсов в нелинейных оптических кристаллах привлекло особое внимание благодаря его способности излучать широкополосные и мощные ТГц волны.

Как неорганические, так и органические кристаллы использовались для генерации ТГц волн посредством оптического выпрямления. Например, ниобат лития — это хорошо известный неорганический нелинейный оптический кристалл, который может генерировать мощные ТГц волны14,15. Аналогичным образом, теллурид цинка16,17,18, фосфид галлия19 и арсенид галлия20 также широко использовались для излучения широкополосных ТГц волн. Однако эти кристаллы имеют ограничения, такие как низкая эффективность преобразования из-за их умеренных нелинейных коэффициентов и повышенная сложность системы, например, в случае генерации ТГц волн с использованием кристалла ниобата лития посредством наклонного фронта лазерных импульсов21. По сравнению с этими неорганическими кристаллами органические кристаллы, такие как DAST, HMQ-TMS, DSTMS, OH1 и BNA, оказались отличными источниками ТГц благодаря своим характеристикам, таким как высокая эффективность преобразования оптического сигнала в ТГц из-за высокого нелинейного оптического коэффициента, низкого поглощение терагерцовых волн и относительно простая система измерения благодаря коллинеарной геометрии фазового синхронизма22,23,24,25,26. Среди этих органических кристаллов DAST является одним из широко используемых органических кристаллов для генерации ТГц волн из-за его высокого коэффициента оптической нелинейности (d11 = 290 ± 55 пм/В при λ = 1,5 мкм), низкого оптического, а также терагерцового диапазона волн. поглощение и высокий порог повреждения, вызванного лазером27,28,29. Более того, этот кристалл можно накачивать хорошо зарекомендовавшим себя и широко доступным телекоммуникационным волоконным лазером с длиной волны 1,5 мкм30,31.