[論文レビュー] Milliwatt average power, MHz-repetition rate, broadband THz generation in organic crystal BNA with diamond substrate

Samira Mansourzadeh, Tim Vogel+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 26, 2021

Terahertz technology and applications参考文献 37被引用数 35

ひとこと要約

本研究では、13.3 MHz繰り返し周波数、85 fs、1030 nmのYbドープ薄板レーザーを用いて、有機結晶BNAで帯域幅広い、ミリワットレベルの平均出力テラヘルツ（THz）波生成を実証した。ダイヤモンド基板を熱放散体として統合することで、0.95 mWのTHz平均出力を達成し、光学-THz変換効率は4×10⁻⁴に達し、−50 dBで6 THzを超えるスペクトル帯域幅を実現した。これは、MHz繰り返し周波数で駆動されたBNAからの報告済み最高のTHz出力である。

ABSTRACT

We demonstrate a 13.3 MHz repetition rate, broadband THz source with milliwatt-average power, obtained by collinear optical rectification of a high-power Yb-doped thin-disk laser in the organic crystal BNA (N-benzyl-2-methyl-4-nitroaniline). Our source reaches a maximum THz average power of 0.95 mW with an optical-to-THz efficiency of 4e-4 and a spectral bandwidth spanning up to 6 THz at -50 dB, driven by 2.4 W average power (after an optical chopper with duty cycle of 10%), 85 fs-pulses. This high average power excitation was possible without damaging the crystal by using a diamond-heatsinked crystal with significantly improved thermal properties. To the best of our knowledge, this result represents the highest THz average power reported so far using the commercially available organic crystal BNA, showing the potential of these crystals for high average power, high repetition rate femtosecond excitation. The combination of high power, high dynamic range, high repetition rate and broadband spectrum makes the demonstrated THz source highly attractive to improve various time-domain spectroscopy applications. Furthermore, we present a first exploration of the thermal behavior of BNA in this excitation regime, showing that thermal effects are the main limitation in average power scaling in these crystals.

研究の動機と目的

• 商業的に入手可能な有機結晶BNAにおいて、MHz繰り返し周波数で高平均出力THz波生成を達成すること。
• これまでの有機結晶における平均出力スケーリングを制限していた熱的制限を克服すること。
• 高繰り返し周波数・高平均出力励起下におけるBNAの熱的挙動および損傷閾値を調査すること。
• 時間領域分光応用に適したスケーラブルで高ダイナミックレンジかつ帯域広いTHz源を実証すること。

提案手法

• 13.3 MHz繰り返し周波数、85 fsパルス幅で106 Wの平均出力を発生するモードロックYbドープ薄板発振器の使用。
• スペクトル拡張およびパルス圧縮を実現するためのヘリオット型マルチパスセルを採用し、96%の透過効率で85 fsパルスを達成。
• 可変デューティ比（10–50%）を有する光チャッパを用いて、平均ポンプ出力および熱負荷を独立して制御。
• BNA結晶をダイヤモンド基板に取り付けることで、高平均出力下でも熱管理を向上させ、損傷を防止。
• 乾燥した窒素ガス雰囲気下で、0.2 mmのGaP結晶とロックイン検出を用いた電気光学的サンプリングにより、時間領域THz電場を測定。
• 位相一致、ポンプ消費、非線形感受率、検出系の伝達関数を組み込んだ分離ステップフーリエ法を用いたTHz生成の数値シミュレーション。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 熱的効果を低減した場合、MHz繰り返し周波数でBNAから得られる最大平均THz出力はどの程度か？
• RQ2 高平均出力励起に起因する熱負荷が、BNA結晶の性能および完全性にどのように影響を与えるか？
• RQ3 ダイヤモンド熱放散体を用いることで、MHz繰り返し周波数・高平均出力励起下におけるBNAの光学-THz変換効率を顕著に向上させられるか？
• RQ4 1030 nmで85 fsパルスを用いて励起した場合、BNAで生成されるTHzパルスのスペクトル帯域幅およびダイナミックレンジはどの程度か？
• RQ5 熱的効果が、BNAのような有機結晶におけるTHz波生成のスケーリングをどの程度制限するか？

主な発見

• 本研究では、0.95 mWの最大THz平均出力と4×10⁻⁴の光学-THz変換効率を達成し、これはMHz繰り返し周波数で駆動されたBNAにおいて報告済みで最高の値である。
• THzスペクトルは−50 dBで6 THzまで広がり、ダイナミックレンジは50 dBを超える滑らかで広帯域の応答を示し、従来の800 nmおよび1150–1550 nm励起実験で観察された2 THzの谷が存在しないことを示した。
• ダイヤモンド熱放散体を備えた構成により、2.4 Wの平均ポンプ出力（2500 kW/cm²の強度）での運用が可能となり、結晶最大温度は63°Cに留まり、非熱放散体構成と比較して顕著な熱管理の向上が確認された。
• 熱的効果が主な制限要因であると特定され、68°Cを超える温度で不可逆的損傷が発生したため、安定した長期運用のためには60°C未満の安全作動窓口が必要であると示された。
• 分離ステップフーリエ法を用いた数値シミュレーションは、測定スペクトルと良好に一致し、モデルの妥当性を裏付け、位相一致および材料特性が広帯域出力の形状に与える影響を確認した。
• さらに、パルス圧縮を改善（10 fs未満）し、能動的冷却を導入することで、10 mW台への出力スケーリングが可能である可能性が示唆された。これにより、熱負荷を増加させることなく、より高いピークパワーを達成できる。