Создание и применение высокоэффективных источников терагерцового излучения

Наиболее сложной проблемой в освоении терагерцового диапазона является разработка эффективных методов генерации когерентного терагерцового излучения. В этом диапазоне, расположенном на оси частот между инфракрасным и микроволновым диапазонами, трудно применять хорошо разработанные за последние полвека физические принципы генерации оптического и СВЧ-излучений.
В последнее десятилетие в результате развития фемтосекундной лазерной техники достигнут существенный прогресс в области создания компактных терагерцовых источников. Распространенным подходом к генерации терагерцового излучения стало воздействие фемтосекундными лазерными импульсами на фотопроводящие антенны, электрооптические и газовые среды. Однако эффективность преобразования энергии лазерного излучения в терагерцовое составляет весьма малую величину — порядка 0,001—0,01%. В связи с этим остается актуальной задача разработки новых, более эффективных методов конверсии фемтосекундных лазерных импульсов в терагерцовое излучение.
Схема генерации терагерцового излучения в сэндвич-структуре (слева) и эффективность оптико-терагерцового преобразования в зависимости от энергии накачки при различных длительностях лазерного импульса,
на вставке — спектр терагерцового импульса

В ИПФ РАН проводятся теоретические и экспериментальные исследования по поиску эффективных схем генерации терагерцового излучения (Р. А. Ахмеджанов, С. Б. Бодров, Н. В. Введенский, Е. В. Суворов и др.). Эти схемы основаны, в частности, на реализации явлений трансформации электромагнитных полей в плотной лазерной плазме, образующейся при ионизации различных газов (включая и атмосферный воздух) интенсивными фемтосекундными лазерными импульсами. Предложены и исследованы оригинальные методы осуществления частотной перестройки, управления поляризацией и диаграммой направленности генерируемого терагерцового излучения, а также новые способы значительного повышения эффективности генерации и пиковой мощности терагерцовых импульсов. В результате разработаны достаточно компактные и сравнительно легко реализуемые лазерно-плазменные схемы, которые могут обеспечивать стабильную генерацию последовательности терагерцовых импульсов мегаваттного уровня мощности с очень высокой (от десятков герц до сотен килогерц) частотой повторения. Также в ИПФ РАН предложена и реализована схема генерации на основе черенковского излучения в специальной сэндвич-структуре, состоящей из 30-микрометрового слоя ниобата лития (LiNbO3), кремниевой призмы и металлической подложки с варьируемым воздушным зазором. С помощью данной структуры экспериментально продемонстрирована рекордная эффективность оптико-терагер-цовой конверсии до 0,25%, а также возможность перестройки спектра генерации терагерцового излучения путем изменения ширины воздушного зазора. Высокая эффективность оптико-терагерцовой конверсии достигается при использовании лазерных импульсов с умеренной энергией порядка 1—10 мкДж и длительностью 50—200 фс, что позволяет использовать в качестве оптической накачки компактные и эффективные волоконные лазеры.
Еще один эффективный метод генерации терагерцового излучения основан на использовании специальных лазерных импульсов, у которых фронт интенсивности наклонен (скошен) относительно фазовых фронтов. С помощью таких импульсов удается организовать условие фазового синхронизма в кристаллах, где фазовая скорость терагерцового излучения меньше групповой скорости лазерного импульса. В институте ведутся исследования по оптимизации такого метода. С использованием лазерных импульсов со скошенным фронтом интенсивности экспериментально продемонстрирована эффективность 0,2 % в кристалле LiNbO3 при его криогенном охлаждении (до 77 К). Разработана теория генерации, дающая хорошее согласие с экспериментом и предсказывающая способы повышения эффективности.
Схема генерации терагерцового излучения лазерным импульсом со скошенным фронтом интенсивности
в охлажденном кристалле LiNbO3 (слева), эффективность оптико-терагерцового преобразования
в зависимости от энергии накачки (в центре) и временная динамика пространственного распределения интенсивности терагерцового пучка (справа)

Спектры взаимных биений лампы обратной волны на частоте порядка 100 ГГц и 1092-й компоненты терагерцовой гребенки с выключенной (верхний график)
и работающей (нижний график) стабилизацией
Помимо работ по генерации терагерцового излучения в институте проводятся исследования по поиску новых приложений такого излучения. Широкополосные терагерцовые импульсы уже активно используются для спектроскопии различных материалов и исследования динамики быстро протекающих процессов. Например, терагерцовые импульсы впервые были использованы в ИПФ для диагностики распада плазменного филамента, формируемого в воздухе при филаментационном распространении мощного фемтосекундного лазерного импульса. Методом рассеяния терагерцового излучения на плазме экспериментально исследована динамика электронной концентрации в плазменном канале при различных напряженностях электрического поля. Показано, что за время ~2 нс концентрация уменьшается на два порядка, а внешнее поле ~8 кВ/см замедляет процесс распада примерно в 2 раза.
Генерация широкополосного терагерцового излучения с помощью последовательности фемтосекундных лазерных импульсов позволяет создавать гребенку частот в диапазоне от нуля до нескольких терагерц с шагом между компонентами, равным частоте повторения лазерных импульсов. При стабилизации частоты повторения такая терагерцовая гребенка обладает уникальной спектральной чистотой компонент. В ИПФ впервые предложена и экспериментально продемонстрирована стабилизация частоты лампы обратной волны миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов с помощью фазовой автоподстройки по одной из компонент терагерцовой гребенки, формируемой Ti:Sa фемтосекундным лазером в диоде Шоттки на кристалле GaAs. Cтабильность частоты излучения оказалась лучше чем 10 Гц. Полученные результаты открывают возможность создания принципиально нового поколения синтезаторов частоты, обладающих рекордно узким спектром излучения (М. Ю. Третьяков, А. П. Шкаев, А. М. Киселев, С. Б. Бодров).