[논문 리뷰] 1.4-mJ High Energy Terahertz Radiation from Lithium Niobates

Baolong Zhang, Zhenzhe Ma외 9명|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 18.

Terahertz technology and applications참고 문헌 60인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 린골리티티드 라이트니오브레이트(1.4-mJ) 결정에서 초저온 냉각된, 펄스가 휘어진 214-mJ 펌프 레이저 펄스를 사용하여 기울어진 펄스 전면 기술을 통해 테라헤르츠(THz) 펄스를 생성하는 것을 보여준다. 이 방법은 0.7%의 에너지 변환 효율을 달성하며, 자유공간에서 6.3 MV/cm의 전기장과 2.1 T의 자기장을 생성하여 초강력 비선형 THz 응용과 실리콘에서의 필드 유도 간대역 산란을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Free-space super-strong terahertz (THz) electromagnetic fields offer multifaceted capabilities for reaching extreme nonlinear THz optics, accelerating and manipulating charged particles, and realizing other fascinating applications. However, the lack of powerful solid-state THz sources with single pulse energy >1 mJ is impeding the proliferation of extreme THz applications. The fundamental challenge lies in hard to achieve high efficiency due to high intensity pumping caused crystal damage, linear absorption and nonlinear distortion induced short effective interaction length, and so on. Here, through cryogenically cooling the crystals, delicately tailoring the pump laser spectra, chirping the pump pulses, and magnifying the laser energies, we first successfully realized the generation of 1.4-mJ THz pulses lithium niobates under the excitation of 214-mJ femtosecond laser pulses via tilted pulse front technique. The 800 nm-to-THz energy conversion efficiency reached 0.7%, and a free-space THz peak electric and magnetic fields reached 6.3 MV/cm and 2.1 Tesla. Our numerical simulations based on a frequencydomain second-order nonlinear wave equation under slowly varying envelope approximation reproduced the experimental optimization processes. To show the capability of this super-strong THz source, nonlinear absorption due to field-induced intervalley scattering effect in high conductive silicon induced by strong THz electric field was demonstrated. Such a high energy THz source with a relatively low peak frequency is very appropriate not only for electron acceleration towards table-top X-ray sources but also for extreme THz science and nonlinear applications.

연구 동기 및 목표

• 단일 펄스 에너지가 1 mJ를 초과하는 고에너지 고체 상태 THz 소스의 부족을 극복하기 위해.
• 리튬니오브레이트에서 효율적인 THz 생성을 제한하는 결정 손상, 선형 흡수 및 비선형 왜곡 문제를 해결하기 위해.
• 초강력 THz 필드를 생성하기에 적합한 확장 가능하고 고효율의 방법을 개발하기 위해.
• 이 소스가 고도로 도핑된 실리콘에서 필드 유도 간대역 산란과 같은 비선형 효과를 유도할 수 있는 능력을 입증하기 위해.
• 고에너지 및 저주파수 특성을 지닌 고강도 THz 필드 생성을 통해 테이블탑 X선 소스 및 고급 THz 과학을 위한 플랫폼을 구축하기 위해.

제안 방법

• 열 손상을 줄이고 손상 임계값을 향상시키기 위해 리튬니오브레이트 결정을 초저온으로 냉각하는 것.
• 펌프 레이저 스펙트럼을 조절하고 펌프 펄스에 시간적 휘어짐을 적용하여 효과적인 상호작용 길이를 연장하는 것.
• 기울어진 펄스 전면 기술을 활용하여 큰 면적의 공간적 겹침을 가진 고강도 펌프 빔을 얻는 것.
• 천천히 변화하는 진폭 근사법 하에서 주파수 도메인의 2차 비선형 파동 방정식을 사용하여 수치 시뮬레이션 및 최적화를 수행하는 것.
• THz 출력을 최대화하면서도 높은 변환 효율을 유지하기 위해 레이저 펌프 에너지를 214 mJ로 증가시키는 것.
• 최고 전기장 및 자기장 강도를 측정하고 특성 분석하기 위해 생성된 THz 펄스를 측정하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초저온 냉각이 고강도 THz 생성을 위한 리튬니오브레이트의 손상 임계값을 현저하게 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 펄스 휘어짐과 스펙트럼 조절을 통해 비선형 THz 생성에서 효과적인 상호작용 길이를 얼마나 연장할 수 있는가?
• RQ3 고에너지 펌프 펄스를 사용할 때 기울어진 펄스 전면 기술을 적용한 리튬니오브레이트에서 얻을 수 있는 최대 단일 펄스 에너지는 얼마인가?
• RQ4 생성된 자유공간의 THz 전기장 및 자기장은 얼마나 강한가? 그리고 측정 가능한 비선형 효과를 유도할 수 있는가?
• RQ5 이 소스는 전자 가속 또는 반도체에서 전하 운반자의 비선형 조작과 같은 새로운 응용을 가능하게 할 수 있는가?

주요 결과

• 214-mJ 펌프 펄스를 사용하여 리튬니오브레이트에서 단일 펄스로 1.4-mJ의 THz 출력을 달성하였다.
• 800 nm에서 THz 복사로의 에너지 변환 효율이 0.7%에 도달하여 이전 방법에 비해 현저한 향상이 있었다.
• 생성된 자유공간의 THz 최고 전기장은 6.3 MV/cm에 도달했으며, 자기장은 2.1 T에 도달하여 초강력 필드 연구를 가능하게 하였다.
• 주파수 도메인의 2차 비선형 파동 방정식을 기반으로 한 수치 시뮬레이션은 실험 최적화 과정을 정확히 재현하였다.
• 강력한 THz 필드는 고도로 도핑된 실리콘에서 간대역 산란을 유도하여 극한 필드 조건에서의 비선형 응답을 입증하였다.
• 높은 에너지와 낮은 최고 주파수 특성 덕분에 이 소스는 테이블탑 X선 생성 및 초강력 비선형 THz 과학 분야의 응용에 적합하다.