Высокоэффективный преобразователь лазерных импульсов в терагерцовое излучение

В институте прикладной физики РАН в сотрудничестве с Нижегородским государственным университетом им. Н. И. Лобачевского продемонстрирован высокоэффективный преобразователь фемтосекундных оптических импульсов микроджоульной энергии в импульсы терагерцового излучения.

Терагерцовое излучение, расположенное на шкале электромагнитных волн между инфракрасным светом и микроволнами (излучаемыми, например, мобильными телефонами), обладает способностью проникать сквозь непрозрачные для света материалы и резонансно взаимодействовать с различными веществами. Столь необычные свойства открывают перспективы широких практических приложений терагерцового излучения, в частности, для обнаружения опасных, в том числе взрывчатых и отравляющих веществ, контроля качества продуктов питания и фармацевтических препаратов, диагностики биотканей.

Освоение терагерцового диапазона волн тормозится отсутствием эффективных источников терагерцового излучения. Дело в том, что в терагерцовом диапазоне неприменимы разработанные в электронике и лазерной физике методы генерации микроволн и света. Над решением проблемы эффективной генерации терагерцового излучения активно работают многие ведущие лаборатории мира.

Созданием эффективных источников терагерцового излучения успешно занимаются и в Институте прикладной физики РАН. Одно из направлений исследований основано на преобразовании ультракоротких лазерных импульсов в терагерцовое излучение в кристалле ниобата лития. Данный кристалл обладает свойством оптического выпрямления – подобно диоду в электрической цепи он способен выделять огибающую импульса. Типичная эффективность преобразования при этом невысока – примерно 0,01–0,1%. Несколько лет назад группой ученых института в сотрудничестве с ННГУ им. Н. И. Лобачевского была предложена оригинальная конструкция преобразователя, в которой тонкая, толщиной около 40 микрон, пластинка ниобата лития расположена на грани кремниевой призмы. Лазерный импульс распространяется в пластинке как волноводе и излучает (подобно катеру на воде) расходящийся в стороны конус терагерцовых волн, которые выводятся призмой в воздух. Использование данной структуры позволило поднять эффективность преобразования до 0,25%. И вот теперь достигнут новый рекордный результат: экспериментально продемонстрирована эффективность 1,3%. Добиться рекорда удалось за счет применения лазерных импульсов с большей длиной волны – около 2 мкм вместо 0,8 мкм ранее.

Особая ценность полученного результата связана с тем, что столь высокая эффективность достигнута при энергии лазерных импульсов всего лишь в несколько десятков микроджоулей. Это как минимум в 100 раз меньше, чем необходимо для эффективной работы других оптико-терагерцовых преобразователей. Малая энергия импульса позволяет рассчитывать на возможность использования лазеров с высокой частотой повторения импульсов – до 1 МГц. При этом ожидается генерация терагерцового излучения с уникальными характеристиками: суб-ваттным уровнем средней и мегаваттным уровнем пиковой мощности. Источники с такими характеристиками могут быть использованы для ряда приложений, а также для исследования нелинейного взаимодействия терагерцового излучения с веществом.

Авторский коллектив: С. Б. Бодров, И. Е. Иляков, Б. В. Шишкин (ИПФ РАН); М. И. Бакунов (ННГУ).