[論文レビュー] Millijoule-scale narrowband terahertz pulses via phase manipulation of pump laser pulses

Spencer W. Jolly, Nicholas H. Matlis+8 more|arXiv (Cornell University)|Feb 7, 2018

Terahertz technology and applications参考文献 35被引用数 6

ひとこと要約

本論文では、独立して制御可能な2つの近赤外（NIR）ポンプパルスの高次位相を操作することにより、ミリジュールレベルの狭帯域テラヘルツ（THz）パルスを生成する手法を示している。2つの非線形結晶における位相制御を最適化することで、361 GHzで1%帯域幅の604 μJのTHzエネルギーを達成し、狭帯域THz放射において記録的なエネルギーを実現した。

ABSTRACT

Electromagnetic radiation at terahertz (THz) frequencies is a useful tool in probing and controlling matter and light in new and interesting ways, especially at high peak-fields and pulse energies. Generating THz radiation often employs nonlinear optical processes, for which the overlapping of stretched, broadband near-infrared (NIR) pulse copies within nonlinear crystals is common. Here we show that for narrowband THz generation, the higher-order phase present on the NIR pulses offers control of the properties of the THz, for example creating temporally complex THz with multiplexed NIR pulses. We manipulate the phase of two NIR pump pulses independently to remove higher order effects and generate record mJ-level THz in two crystals simultaneously, with an average total energy of 604 microjoule at 361 GHz with 1% bandwidth. This high pulse energy combined with such a narrow bandwidth has broad implications for accelerator applications, resonant driven material studies, and nonlinear THz spectroscopy.

研究の動機と目的

• 高エネルギー・狭帯域テラヘルツ放射の生成という、先進的な科学的応用に向けた挑戦に応える。
• 通常、広帯域または低エネルギーのパルスを生成するための従来のTHz生成法の限界を克服する。
• 近赤外ポンプパルスにおける高次位相制御を活用し、THz出力を整形および強化する。
• 2つの非線形結晶を同時に最適化することで、THzエネルギーを最大化するとともに、狭帯域スペクトル幅を維持する。
• 高スペクトル精度を要する応用に向け、新記録のTHzパルスエネルギー（帯域幅1%未満）を達成する。

提案手法

• 生成されるTHz放射の時間的・スペクトル的プロファイルを制御するため、2つの独立して位相変調された近赤外（NIR）ポンプパルスを用いる。
• 高次位相の操作を適用し、THz生成プロセスにおける非線形歪みを低減するとともに、スペクトル制御を向上させる。
• 2つの非線形結晶を同期化された構成で用い、各結晶からのTHz出力を干渉的に合成する。
• 2つのNIRパルスの相対的遅延および位相を最適化し、狭帯域THzパルスへのエネルギー移行を最大化する。
• 中心周波数、帯域幅、エネルギーを含む、結果として得られるTHzパルスの特性を、スペクトルおよび時間的診断法を用いて評価する。
• 時間的チープを最小限に抑えるための位相補償技術を実装し、出力THzパルスのスペクトル純度を向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 近赤外ポンプパルスの高次位相制御は、狭帯域で高エネルギーのテラヘルツパルスの生成を可能にするか？
• RQ2 位相安定化されたポンプパルスを用いて2つの非線形結晶を直列に接続した場合、得られるTHzパルスエネルギーの上限は何か？
• RQ3 2つのポンプパルスの独立した位相操作は、THz生成におけるスペクトル制御およびエネルギー変換効率をどのように向上させるか？
• RQ4 高エネルギーのまま、生成されるTHzパルスの帯域幅をどの程度まで狭めることができるか？
• RQ5 この手法は、加速器科学や共鳴材料プローブに適した十分なスペクトル純度とエネルギーを持つTHzパルスを生成できるか？

主な発見

• 本手法により、中心周波数361 GHz、スペクトル帯域幅1%の狭帯域テラヘルツパルスが成功裏に生成された。
• 合計平均THzパルスエネルギーは604 μJに達し、狭帯域THz放射において記録的なエネルギー水準を達成した。
• 独立して制御可能な2つの近赤外ポンプパルスの位相操作により、高次非線形歪みが効果的に抑制された。
• 最適化された位相および遅延条件のもとで2つの非線形結晶を同時に動作させたことで、THz出力が干渉的に強化された。
• 得られたTHzパルスは、高いスペクトル純度と時間的安定性を示し、高精度応用に適した特性を有していた。
• 提示された手法により、スケーラブルで高エネルギーかつ狭帯域のTHz生成が可能となり、加速器駆動実験や非線形分光法への応用が期待される。