[論文レビュー] Precise and accurate control of the ellipticity of THz radiation using a photoconductive pixel array

C. D. W. Mosley, Justas Deveikis+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 2021

Terahertz technology and applications参考文献 26被引用数 14

ひとこと要約

本稿では、帯域幅が広いTHz放射の偏光度を完全に電気的制御可能にする4画素の光起電力発生素子に、色収差補正波偏向板を統合したものを提案する。これにより、線形および円偏光状態において97％を超える偏光純度を達成した。垂直方向と水平方向の画素に位相差をもたせたバイアス電圧を印加し、シリコンプレズム内の全内部反射を活用することで、サブ度単位の精度で可変な楕円偏光および円偏光を生成した。測定時間1秒後の標準誤差は0.047°であり、実証された。

ABSTRACT

Full control of the ellipticity of broadband pulses of THz radiation, from linear to left- or right-handed circular polarization, was demonstrated via a 4-pixel photoconductive emitter with an integrated achromatic waveplate. Excellent polarization purity and accuracy was achieved, with Stokes parameters exceeding 97% for linear and circular polarization, via a robust scheme that corrected electrically for polarization changes caused by imperfect optical elements. Further, to assess the speed and precision of measurements of the THz polarization we introduced a new figure of merit, the standard error after one second of measurement, found to be 0.047$^{\circ}$ for the polarization angle.

研究の動機と目的

• 帯域幅が広いTHzパルスの偏光度を、線形偏光から円偏光まで完全に電気的制御すること。
• 遅くかつ不正確な機械的偏光制御の限界を克服すること。
• 電気的フィードバックを用いて、光学素子の不完全性をリアルタイムで補正するシステムを開発すること。
• THz偏光制御の正確性と精度を評価するための定量的指標を確立すること。
• 異方性材料や新興のTHz通信システム向けに、高速かつ高精度なTHz偏光度測定と偏光計測を可能にすること。

提案手法

• 半絶縁性GaAs上に4画素のインターデジテート光起電力発生素子を用い、印加電界の方向に応じて直交する偏光状態のTHz放射を発生させた。
• 300 µm × 300 µmの活性領域を有し、平均出力350 mWの80 fs Ti:sapphireレーザーパルスを励起源とした。
• 高抵抗率フロートゾーンシリコンで作られたフレネルプレズム（45°傾斜）を発生素子と統合し、全内部反射（TIR）により色収差補正四分の一波偏向板として機能させた。
• 水平および垂直発光画素に位相差φを有する方形波電圧を印加：VH = V₀cosφ および VV = V₀sinφ（V₀ = 10 V）。
• 約41.9°の入射角における全内部反射により、p偏光成分とs偏光成分の間で90°の位相差（δp − δs = 90°）を誘発し、線形偏光から円偏光に変換した。
• 時間的および周波数的変動を測定するため、[111]方向に整列したZnTe結晶を用いた偏光分解型電気光学的サンプリングにより、THz電場のExおよびEy成分を測定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 統合された色収差補正波偏向板を備えたマルチ画素光起電力発生素子は、THzの楕円偏光度を完全に電気的制御可能か？
• RQ2 機械的または固定幾何形状のシステムと比較して、偏光純度と正確性はどの程度向上できるか？
• RQ3 波偏向板やビームスプリッターなどの光学素子の不完全性は、このシステムでどのように補正されるか？
• RQ4 本装置を用いたTHz偏光状態測定の達成可能な精度と速度はどの程度か？
• RQ5 測定時間1秒後の標準誤差という新しい性能指標は、THz偏光制御の性能を効果的に定量的に評価できるか？

主な発見

• 本システムは、線形および円偏光状態の両方において97％を超える偏光純度を達成し、高精度な楕円偏光制御を示した。
• 測定時間1秒後の偏光角度測定の標準誤差は0.047°であり、高精度かつ高速な測定を実証した。
• 1 THz周波数範囲にわたるビームプロファイルはガウス型を示し、σx ≃ σy かつビーム中心のずれが150 µm未塔であった。これにより、優れた空間的重ね合わせとビーム品質が確認された。
• 従来のシステムでは、不均一な電場による影響で帯域全体で楕円偏光角が35°〜45°に変動していたが、本システムでは電気的制御により安定的かつ可変な楕円偏光が実現した。
• 弱い集光を施した赤外光ビームにより、プレズム界面での偏向角の拡散を最小限に抑え、90°の位相差を維持し、一貫した波偏向板の挙動を確保した。
• 提案された性能指標（測定時間1秒後の標準誤差）は、異なる実験的アプローチ間での偏光制御性能を比較するための強固で汎用的な指標であることが検証された。