[論文レビュー] 1.4-mJ High Energy Terahertz Radiation from Lithium Niobates

Baolong Zhang, Zhenzhe Ma+9 more|arXiv (Cornell University)|Jul 18, 2020

Terahertz technology and applications参考文献 60被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、冷却されたリチウムニオブ酸ガラス結晶を用い、冷却された、チープド（周波数が変化する）214-mJのフェムト秒レーザーパルスを用いて、傾斜したパルスフロント技術により、1.4-mJのテラヘルツ（THz）パルスを生成することを示した。この手法により、0.7%のエネルギー変換効率が達成され、自由空間におけるTHz電場強度は6.3 MV/cm、磁場は2.1 Tに達し、極端な非線形THz応用および高電導性シリコンにおける場誘起間谷散乱を可能にした。

ABSTRACT

Free-space super-strong terahertz (THz) electromagnetic fields offer multifaceted capabilities for reaching extreme nonlinear THz optics, accelerating and manipulating charged particles, and realizing other fascinating applications. However, the lack of powerful solid-state THz sources with single pulse energy >1 mJ is impeding the proliferation of extreme THz applications. The fundamental challenge lies in hard to achieve high efficiency due to high intensity pumping caused crystal damage, linear absorption and nonlinear distortion induced short effective interaction length, and so on. Here, through cryogenically cooling the crystals, delicately tailoring the pump laser spectra, chirping the pump pulses, and magnifying the laser energies, we first successfully realized the generation of 1.4-mJ THz pulses lithium niobates under the excitation of 214-mJ femtosecond laser pulses via tilted pulse front technique. The 800 nm-to-THz energy conversion efficiency reached 0.7%, and a free-space THz peak electric and magnetic fields reached 6.3 MV/cm and 2.1 Tesla. Our numerical simulations based on a frequencydomain second-order nonlinear wave equation under slowly varying envelope approximation reproduced the experimental optimization processes. To show the capability of this super-strong THz source, nonlinear absorption due to field-induced intervalley scattering effect in high conductive silicon induced by strong THz electric field was demonstrated. Such a high energy THz source with a relatively low peak frequency is very appropriate not only for electron acceleration towards table-top X-ray sources but also for extreme THz science and nonlinear applications.

研究の動機と目的

• 1 mJを超える単パルスエネルギーを持つ高エネルギー固体状態THz光源の不足を克服すること。
• リチウムニオブ酸ガラスにおける効率的なTHz生成を制限する結晶の損傷、線形吸収、非線形歪みの問題に対処すること。
• 極端な非線形光学に適した、スケーラブルで高効率な超強力THz場を生成する手法を開発すること。
• この光源が、高電導性シリコンにおける場誘起間谷散乱のような非線形効果を誘発できる能力を実証すること。
• 高場THz生成を通じて、テーブルトップX線源および高度なTHz科学のためのプラットフォームを確立すること。

提案手法

• 熱的損傷を低減し、破壊閾値を向上させるために、リチウムニオブ酸ガラス結晶を冷却すること。
• ポンプレーザーのスペクトルを調整し、ポンプパルスに時間的チープングを適用することで、有効な相互作用長を延長すること。
• 傾斜したパルスフロント技術を用いて、大面積で空間的に重畳された高強度ポンプビームを実現すること。
• ゆっくり変化する包絡関数近似の下で、周波数領域における2次非線形波動方程式を用い、数値的シミュレーションと最適化を行うこと。
• THz出力を最大化しつつも高い変換効率を維持するため、レーザーポンプエネルギーを214 mJにスケーリングすること。
• ピーク電場および磁場強度の測定と、生成されたTHzパルスの特性評価を行うこと。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 冷却によってリチウムニオブ酸ガラスの破壊閾値が、高強度THz生成において顕著に向上するか？
• RQ2 パルスチープングとスペクトル調整によって、非線形THz生成における有効な相互作用長はどの程度延長可能か？
• RQ3 高エネルギーフェムト秒レーザーを用いた傾斜したパルスフロント技術により、リチウムニオブ酸ガラスで達成可能な最大単パルスエネルギーは何か？
• RQ4 生成された自由空間THz電場および磁場はどの程度の強度か？また、それらは測定可能な非線形効果を誘発できるか？
• RQ5 この光源は、電子加速や半導体における電荷キャリアの非線形操作といった新規応用を可能にするか？

主な発見

• 214-mJのフェムト秒レーザーパルスを用いて、リチウムニオブ酸ガラスから1.4-mJの単パルスTHz出力が達成された。
• 800 nmからTHz放射へのエネルギー変換効率は0.7%に達し、従来の手法に比べ顕著な改善が見られた。
• 生成された自由空間THzピーク電場は6.3 MV/cmに達し、磁場は2.1 Tに達し、極端な場の研究が可能になった。
• 周波数領域における2次非線形波動方程式に基づく数値的シミュレーションが、実験の最適化プロセスを正確に再現した。
• 強いTHz場により、高電導性シリコンにおける間谷散乱が誘発され、極端な場条件下での非線形応答が実証された。
• 高いエネルギーと低いピーク周波数を特徴とするため、この光源はテーブルトップX線生成や極端な非線形THz科学への応用に適している。