[論文レビュー] Near-optimal intense and powerful terahertz source by optical rectification in lithium niobate crystal

L. Guiramand, J. E. Nkeck+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 22, 2021

Terahertz technology and applications参考文献 22被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、亜ミリジュール（sub-mJ）のイットリウムレーザーと新規のパルス圧縮技術（エッケロンミラーを用いたもの）を組み合わせたリチウムニobレート結晶における光誘起効果を用いて、近似的に最適な高出力テラヘルツ（THz）光源を実現した。このシステムは、焦点位置で平均53 mWのTHz出力および310 kV/cmの電場強度を達成し、mJレベルのポンプ光源と同等の性能を示し、室温下で利用可能で高性能なTHz発生を実現した。

ABSTRACT

Using an affordable ytterbium laser with sub-mJ of energy combined with a novel pulse compression technique, we demonstrate an extremely competitive state-of-the-art terahertz (THz) source with 53 mW of average power and 310 kV/cm at focus from the tilted-pulse front pumping scheme in lithium niobate at room temperature. Key points of this demonstration include the use of a pump pulse duration of 280 fs in combination with an echelon mirror. Our results present unmatched combined characteristics and are highly competitive with the existing THz sources pumped at the mJ range. This demonstration is a step towards the democratization of access to intense and powerful THz pulses.

研究の動機と目的

• 広く一般の研究室で利用可能なコスト効果的で高出力のテラヘルツ光源の開発を目的とする。
• 高エネルギー（mJレベル）ポンプレーザーを必要とする従来のTHz光源の限界を克服することを目的とする。
• 室温下でリチウムニオブレートにおける光誘起効果を用いて、強力で集光されたTHz電場を実現することを目的とする。
• 亜ミリジュールのポンプエネルギーでも、mJレベルのシステムと競合するTHz出力を得られることを実証することを目的とする。
• スケーラブルで安価な技術を用いて、強力なTHz光源の民主化を進める。

提案手法

• ポンプ源として亜ミリジュールのパルスエネルギーを持つ低コストのイットリウムレーザーを採用した。
• リチウムニオブレートにおける傾きのあるパルスフロントポンピング方式を採用し、位相一致を向上させるとともにTHz生成効率を向上させた。
• エッケロンミラーを用いて正確なパルス圧縮を実現し、280 fsのポンプパルス幅を達成した。
• THz出力を最大化しつつ室温での動作を維持できるよう、光学系の幾何形状とアライメントを最適化した。
• 周期的ポーリング処理を施したリチウムニオブレートを用いて、超短パルスレーザーを広帯域THz放射に変換する光誘起効果を適用した。
• 校正済みの電気光学的サンプリングおよび電場強度センサーを用いてTHz出力を測定し、出力パワーと電場強度を定量した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 亜ミリジュールのレーザー源は、mJレベルのシステムと同等の性能を示すTHz放射を生成できるか？
• RQ2 リチウムニオブレートにおける傾きのあるパルスフロントポンピングは、低エネルギーポンプ条件下でTHz生成効率をどのように向上させるか？
• RQ3 安価でコンactなレーザーを用いたコンactで室温下に保たれる装置で、得られるTHz出力および電場強度の最大値は何か？
• RQ4 パルス圧縮技術は、低エネルギーレーザーからのTHz出力をどの程度向上させ得るか？
• RQ5 光誘起効果とパルスフロントの傾きを組み合わせることで、スケーラブルでコスト効果的なTHz光源を実現できるか？

主な発見

• 本システムは、亜ミリジュールのポンプエネルギーのみを用いても、平均53 mWのTHz出力を達成した。
• 焦点位置でピーク電場強度が310 kV/cmに達したことが測定され、高い電場強度を示した。
• 280 fsのポンプパルスとエッケロンミラーの組み合わせにより、効果的なパルス圧縮とTHz生成の向上が達成された。
• ポンプエネルギーが顕著に低いにもかかわらず、本システムの性能は既存のmJレベルTHz光源と競合するものであった。
• 本研究では、安価でコンパクトなレーザーシステムを用いて室温下で高出力THz発生が可能であることを実証した。
• これらの結果は、標準的な研究室で利用可能な強力で高品質なテラヘルツ光源へのアクセスの民主化に、顕著な一歩を踏み出したものである。