[論文レビュー] High-power intracavity single-cycle THz pulse generation using thin lithium niobate

Yicheng Wang, Tim Vogel+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2023

Solid State Laser TechnologiesEngineering被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、マルチモードのダイオードポンプ方式モードロック型薄板レーザーのキャビティ内に配置された薄いリチウムニオブ酸ガラス結晶（LiNbO₃）を用いて、高出力でシングルサイクルのテラヘルツ（THz）パルスを生成することを示している。50-µm 厚のLiNbO₃ プレートにおけるキャビティ内共鳴増幅を活用することで、44.8 MHz の繰り返し周波数で、3 THz まで及ぶスペクトルを有するミリワットレベルの広帯域THz出力が達成された。この出力は、264 W のキャビティ内平均パワーによって駆動されており、スケーラブルでコスト効率の高い高繰り返し周波数THz光源の実現に貢献する。

ABSTRACT

Ultrafast laser driven, single-cycle THz pulsed sources hold immense potential for scientific and industrial applications; however, their limited average power hinders their widespread application. In particular, applications where high repetition rates in the multi-MHz region and beyond are required are more severely affected, due to the lower pulse energies available for frequency conversion. In this respect, resonant enhancement both in passive and active resonators is a well-known technique for boosting the efficiency of nonlinear frequency conversion; however, this route has remained poorly explored for the generation of broadband THz pulses due to the inadequacy of typically employed nonlinear crystals. Here, we demonstrate that thin lithium niobate crystals used intracavity of multimode diode-pumped mode-locked thin-disk lasers are a promising platform to circumvent these difficulties. Using a 50-μm thin lithium niobate plate intracavity of a compact high-power mode-locked thin-disk laser, we generate milliwatt-level broadband THz pulses with a spectrum extending up to 3 THz at 44.8 MHz repetition rate, driven by 264 W of intracavity average power. This approach opens the door to efficient high-power single-cycle THz generation using affordable nonlinear crystals at very high repetition rates, scalable to kilowatt-level driving power with low cost and complexity.

研究の動機と目的

• 超高速シングルサイクルTHz光源の平均出力が低いという制限を克服し、高繰り返し周波数応用への応用を促進すること。
• 高繰り返し周波数において広帯域THz生成に際して、従来の非線形結晶の非効率性を是正すること。
• 薄いリチウムニオブ酸ガラスを、キャビティ内THz生成用の高効率・低コストな非線形媒質としての可能性を検討すること。
• 安価な部品を用いたスケーラブルでコンactな高出力・広帯域THzパルス生成プラットフォームを実証すること。

提案手法

• 264 W のキャビティ内平均パワーを発生するマルチモードのダイオードポンプ方式モードロック型薄板レーザーをポンプ源として用いる。
• キャビティ内に直接配置された50-µm 厚のリチウムニオブ酸ガラス結晶を用いて、キャビティ内での光起電圧効果によるTHz生成を実現する。
• 44.8 MHz の繰り返し周波数で動作することで、効率的な周波数変換に適した高繰り返し周波数ポンピングが可能となる。
• 薄く周期的ポーラライゼーションされたリチウムニオブ酸ガラス結晶を用いることで、位相一致が向上し、広帯域THzパルスの非線形変換効率が向上する。
• キャビティ内での共鳴増幅を活用して、有効なポンプ強度を増幅させ、THz生成効率を向上させる。
• 生成されたTHzパルスは電気光学的スキャン法を用いて評価され、3 THz まで及ぶ広帯域発光が確認された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 薄いリチウムニオブ酸ガラス結晶を用いたキャビティ内周波数上変換が、シングルサイクルTHzパルスの平均出力を顕著に向上させ得るか？
• RQ2 高パワーのレーザーキャビティ内に薄く安価な非線形結晶を用いることで、数MHzから数MHz帯域の高繰り返し周波数で効率的な広帯域THz生成が可能になるか？
• RQ3 キャビティ内での共鳴増幅が、自由空間配置と比較して非線形変換効率をどの程度向上させ得るか？
• RQ4 本手法は、キロワットレベルのポンプパワーにスケーリング可能であり、高いTHz出力パワーと広帯域を維持できるか？
• RQ5 コンパクトで低複雑性の構成でありながら、ミリワットレベルのTHz出力が実現可能か？

主な発見

• システムは、3 THz まで及ぶスペクトルを有するミリワットレベルの広帯域THzパルスを生成した。
• 44.8 MHz の繰り返し周波数でTHz出力が達成され、高繰り返し周波数動作が可能となった。
• 264 W のキャビティ内平均パワーが非線形変換プロセスを駆動し、THz生成効率が顕著に向上した。
• 50-µm 厚のリチウムニオブ酸ガラス結晶の高い非線形性と低吸収特性により、効率的な位相一致THz生成が可能となった。
• より高いポンプパワーへのスケーリングが可能であり、キロワットレベルの運用への可能性を示した。
• 標準的な非線形結晶を用いた低コストでコンパクトかつ高繰り返し周波数のTHz光源の実現が可能となった。