[論文レビュー] Terahertz brightness at the extreme: demonstration of 5 GV/m, 17 T low frequency {\lambda}3 terahertz bullet

Mostafa Shalaby, C. P. Hauri|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2014

Terahertz technology and applications参考文献 25被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、ポンプ波面の曲率を最適化することで回折限界に達する3次元光バレー（λ³体積に閉じ込められた）を生成することにより、極めて高い輝度を達成する新しいテラヘルツ光源を示している。共線的ポンプを用いた有機結晶（DSTMSおよびOH1）を用いることで、ピーク電場が5 GV/m、17 Tに達する1周期のテラヘルツパルスが生成され、これは従来のレーザー駆動源と比べて数個のオーダーも高い。これにより、非線形テラヘルツ科学の新しい領域が開かれる。

ABSTRACT

The brightness of a light source defines its applicability to nonlinear phenomena in science. Bright low frequency terahertz (< 5THz) radiation confined to a diffraction-limited spot size is a present hurdle due to the broad bandwidth and long wavelengths associated with single-cycle terahertz pulses as well as due to the lack of terahertz wavefront correctors. Here, using a present-technology system, we employ a new concept of terahertz wavefront manipulation and focusing optimization. We demonstrate a spatio-temporal confinement of terahertz energy at its physical limits to the least possible 3-dimensional light bullet volume of lambda cubic. This leads to a new regime of extremely bright terahertz radiation reaching 40 PW/m2 intensity. The presented work is focused on the sub-5 THz range using small aperture organic crystals DSTMS and OH1. The obtained peak field of up to 5 GV/m and 17 Tesla is order of magnitude higher than any reported single-cycle field oscillation in the entire THz range from a laser-based system and surpassing large scale accelerator systems. The presented results are foreseen to have a great impact on future nonlinear terahertz applications in different science disciplines.

研究の動機と目的

• 長波長による低輝度と劣悪なビーム品質という根本的課題を克服すること。
• 物理的限界であるλ³体積にまで空間的・時間的閉じ込めを実現すること。
• 小型でレーザー駆動のシステムを用いて、5 THz未満の周波数帯域で前例のない高い電場強度を達成すること。
• 従来のレーザー駆動および加速器駆動源の電場強度限界を超えることで、非線形テラヘルツ応用を可能にすること。

提案手法

• 100 Hzのチタンサファイアベースの3段階光学パラメトリック増幅器（OPA）システムを用い、1.35–1.5 µmの65±5 fsパルスを小形有機結晶にポンプした。
• 非線形結晶でのポンプビームの波面曲率を制御するための全反射式望遠鏡を採用し、波面歪みを最小限に抑えた。
• 高い非線形性（214–240 pm/V）と高い損傷閾値（約20 mJ/cm²）を有する高効率な有機結晶（DSTMSおよびOH1）を選定した。
• 非軸上ミラーを用いてテラヘルツビームを拡大・焦点化し、回折限界に近いビーム品質を達成した。
• スポットサイズおよびピーク電場をパルスエネルギーと持続時間から、マイクロボロメータ画像と校正済み強度測定を用いて決定した。
• 生成されたパルスの時間的およびスペクトル的特性を検証するため、電気光学的サンプリング（EOS）およびABCD検出法を併用した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 レーザー駆動系において、テラヘルツ波面歪みを十分に補正できるか、回折限界の焦点化が達成できるか。
• RQ2 現在の小型レーザー技術を用いて、1周期のテラヘルツパルスで達成可能な最大電場強度はどの程度か。
• RQ3 有機非線形結晶におけるポンプビームの波面曲率最適化によって、テラヘルツ輝度をどの程度向上できるか。
• RQ4 空間的・時間的閉じ込めをλ³体積に制限した場合、テラヘルツパルスの時間的およびスペクトル的プロファイルにどのような影響を与えるか。
• RQ5 テーブルトップレーザー系を用いて、5 THz未満の周波数帯域で5 GV/mを超える電場強度を達成できるか。

主な発見

• 本システムは、5 THz未満の周波数帯域でピーク電場5 GV/m、17 Tを達成し、従来のレーザー駆動源と比べて1桁の増加を実現した。
• テラヘルツ放射は約λ³の3次元体積に閉じ込められ、最大40 PW/m²の強度を示す極めて高い輝度を達成した。
• ポンプビームの曲率最適化による波面制御により、ほぼ完全なテラヘルツ波面が得られ、回折限界の焦点化が実現した。
• 測定されたテラヘルツパルスは、DSTMS（1.024 THz）およびOH1（1.45、2.85、および約4.9 THz）におけるフォノン共鳴により顕著なスペクトルモードが観測され、スペクトルエンVELOPが形成された。
• 有機結晶における共線的ポンプによりビームの対称性と品質が維持され、非共線的スキームと比較して優れた焦点化が可能となった。
• 結果として、従来のレーザー駆動源および大規模加速器システムを上回る、1周期パルスにおけるピーク電場強度を達成した。