[論文レビュー] Multi-octave spectrally tunable strong-field Terahertz laser

C. Vicario, А. В. Овчинников+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 18, 2016

Terahertz technology and applications参考文献 24被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、5オクターブ帯域（0.5–7 THz）にわたって周波数可変で強力なTHzパルスを生成するコンactなテーブトップTHzレーザー・プラットフォームを提示する。最大300 MV/mの電場強度を達成し、パルス持続時間（1–50サイクル）と中心周波数を、変調周期の調整により正確に制御可能であり、30 GHz未満の線幅と極めて低いタイミングジッターを実現し、高度なポンププローブ実験に適している。

ABSTRACT

The ideal laser source for the emerging research field of nonlinear Terahertz (THz) spectroscopy should offer radiation with a large versatility and deliver both ultra-intense multi-octave spanning single-cycle pulses and user-selectable multi-cycle pulses at narrow linewidth. The absence of such a table-top source has hampered advances in numerous THz disciplines including imaging, nonlinear photonics and spectroscopy, selective out-of-equilibrium excitation of condensed matter and quantum systems. Here we introduce a highly versatile table-top THz laser platform providing single-cycle GV/m transients as well as spectrally narrow pulses tunable in bandwidth and central frequency across 5 octaves with hundreds of MV/m field strength. The compact scheme is based on optical rectification of a temporally modulated laser beam in organic crystals. It allows for the selection of THz oscillation cycles from 1 to >50 and central frequency tuning range from 0.5 to 7 THz by directly changing the modulation period of the driving laser. The versatility of the THz source is demonstrated by providing a broadband 5-octave spanning spectrum as well as a spectrally narrow line tunable across the full optical rectification phase-matching band with a minimum width of dv=30 GHz, corresponding to dE=0.13 meV and lambda^-1=1.1 cm-1. The presented table-top source shows performances similar or even beyond to that of a large-scale THz electron accelerator facility but offering in addition versatile multi-color and advanced femtosecond pump-probe opportunities at ultralow timing jitter.

研究の動機と目的

• 非線形THz分光法に適した、多用途でテーブルトップ型の強力なTHz放射源を開発すること。
• 広帯域のシングルサイクルパルスと、周波数的に狭いマルチサイクルパルスを両方発生可能な、コンactで周波数可変なソースの不足を補うこと。
• 0.5–7 THzの5オクターブにわたるユーザー選択可能な中心周波数の調整を可能にし、高い周波数分解能と高い電場強度を実現すること。
• 高度なフェムト秒ポンププローブ実験に適した、超低ジッター（<1 ps）のプラットフォームを提供すること。
• 大規模なTHz加速器施設と同等またはそれ以上の性能を、コンactで利用可能な構成で実現すること。

提案手法

• 駆動レーザー光ビームの時間的変調を有機性非線形結晶で光学的整流させることにより、THz放射を生成する。
• 駆動レーザーの変調周期が、中心周波数とTHz振動サイクル数（1～50以上）を直接制御する。
• 結晶内の位相一致条件により、光学的整流帯域全体にわたる広帯域なスペクトルカバレッジが可能となる。
• 変調周期の変更によりスペクトルチューニングが可能であり、0.5–7 THzの範囲で中心周波数を連続的に調整可能である。
• 本ソースは、GV/mレベルのシングルサイクルトランスジェントと、線幅が30 GHzにまで狭いパルスを両方生成する。
• ポンプビームとプローブビームの正確な同期により、超低ジッター（<1 ps）を達成している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コンactでテーブルトップ型のTHzソースが、高電場強度を有する広帯域のシングルサイクルパルスと、周波数的に狭いマルチサイクルパルスを両方生成可能か？
• RQ2 1つのコンactプラットフォームで、0.5–7 THzの連続的かつ5オクターブにわたる周波数チューニングが可能か？
• RQ3 駆動レーザーの変調周期を用いて、THz振動サイクル数と中心周波数を独立に制御可能か？
• RQ4 このようなシステムで達成可能な周波数線幅と電場強度はどの程度か？
• RQ5 このソースは、大規模なTHz加速器施設と同等またはそれ以上の性能を、コンactで利用可能な構成で達成可能か？

主な発見

• プラットフォームは5オクターブにわたる広帯域THzパルスを生成し、0.5–7 THzをカバーする。
• 最小線幅30 GHz（ΔE = 0.13 meV、λ⁻¹ = 1.1 cm⁻¹）の周波数的に狭いパルスが達成された。
• 300 MV/mを超える電場強度が測定され、ピーク電場はGV/mレベルに達した。
• 変調周期の調整により、THzサイクル数を1から50以上に正確に制御可能である。
• 変調周期の変更により、0.5–7 THzの全範囲にわたる中心周波数チューニングが実証された。
• システムは超低ジッター（<1 ps）を示し、高精度なフェムト秒ポンププローブ実験が可能となった。