[논문 리뷰] High-power intracavity single-cycle THz pulse generation using thin lithium niobate

Yicheng Wang, Tim Vogel외 6명|arXiv (Cornell University)|2023. 09. 08.

Solid State Laser TechnologiesEngineering인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 다이오드 펌프 모드-잠금 얇은 디스크 레이저의 공진기 내부에 배치된 얇은 리튬니오브산나트륨(β-BaB₂O₄) 결정을 이용하여 고출력, 단주기 테라헤르츠(THz) 펄스를 생성하는 것을 보여준다. 50µm 두께의 LiNbO₃ 판에서 내부 공진 증폭을 활용함으로써, 시스템은 44.8 MHz 반복 주기에서 3 THz까지 확장된 스펙트럼을 가지며 밀리와트 수준의 넓은 대역폭 THz 출력을 달성한다. 이는 264 W의 내부 평균 출력으로 구동되며, 확장 가능하고 비용 효율적인 고반복 주기 THz 소스를 가능하게 한다.

ABSTRACT

Ultrafast laser driven, single-cycle THz pulsed sources hold immense potential for scientific and industrial applications; however, their limited average power hinders their widespread application. In particular, applications where high repetition rates in the multi-MHz region and beyond are required are more severely affected, due to the lower pulse energies available for frequency conversion. In this respect, resonant enhancement both in passive and active resonators is a well-known technique for boosting the efficiency of nonlinear frequency conversion; however, this route has remained poorly explored for the generation of broadband THz pulses due to the inadequacy of typically employed nonlinear crystals. Here, we demonstrate that thin lithium niobate crystals used intracavity of multimode diode-pumped mode-locked thin-disk lasers are a promising platform to circumvent these difficulties. Using a 50-μm thin lithium niobate plate intracavity of a compact high-power mode-locked thin-disk laser, we generate milliwatt-level broadband THz pulses with a spectrum extending up to 3 THz at 44.8 MHz repetition rate, driven by 264 W of intracavity average power. This approach opens the door to efficient high-power single-cycle THz generation using affordable nonlinear crystals at very high repetition rates, scalable to kilowatt-level driving power with low cost and complexity.

연구 동기 및 목표

• 초고속 단주기 THz 소스의 낮은 평균 출력 제한 문제를 해결하여 고반복 주기 응용 분야에서의 활용을 가능하게 하기 위해.
• 고반복 주기에서 넓은 대역폭 THz 생성에 있어 전통적인 비선형 결정의 비효율성을 극복하기 위해.
• 내부 공진기에서의 비선형 THz 생성을 위한 고효율, 저비용 비선형 매질로서 얇은 리튬니오브산나트륨의 잠재력을 탐색하기 위해.
• 저비용 구성 요소를 사용하여 확장 가능하고 컴act한 고출력, 넓은 대역폭 THz 펄스를 생성하는 플랫폼을 구현하기 위해.

제안 방법

• 다중모드 다이오드 펌프 모드-잠금 얇은 디스크 레이저를 펌프 소스로 사용하여 내부 평균 출력 264 W를 제공한다.
• 내부 공진기에서의 광학 정 rectification을 위한 THz 생성을 위해 레이저 공진기 내부에 50-µm 두께의 리튬니오브산나트륨 결정을 직접 삽입한다.
• 레이저는 44.8 MHz의 반복 주기를 가지며, 효율적인 주파수 변환을 위한 고반복 주기 펌프를 가능하게 한다.
• 얇고 주기적으로 도핑된 리튬니오브산나트륨 결정을 사용함으로써, 넓은 대역폭 THz 펄스를 위한 위상 일치 및 비선형 변환 효율이 향상된다.
• 레이저 공진기 내에서의 공진 증폭을 활용하여 효과적인 펌프 강도를 증가시켜 THz 생성 효율을 높인다.
• 생성된 THz 펄스는 전기광학 샘플링을 이용해 특성화되어 3 THz까지의 넓은 대역폭 방출을 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 얇은 리튬니오브산나트륨 결정 내부에서의 내부 공진 주파수 상향 변환은 단주기 THz 펄스의 평균 출력을 크게 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 고출력 레이저 공진기 내부에 얇고 저비용의 비선형 결정을 사용하면 다이오드 주기 수준의 반복 주기에서 효율적인 넓은 대역폭 THz 생성이 가능한가?
• RQ3 자기 공진 증폭을 통한 레이저 공진기 내부에서의 비선형 변환 효율 향상 정도는 자유공간 구현 대비 얼마나 뛰어난가?
• RQ4 이 방법은 킬로와트 수준의 펌프 출력으로 확장 가능할 수 있는가? 이 경우에도 고출력 THz 출력과 넓은 대역폭을 유지할 수 있는가?
• RQ5 실용적 응용에 적합한 컴act하고 단순한 구조에서 밀리와트 수준의 THz 출력을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 시스템은 스펙트럼이 3 THz까지 확장된 밀리와트 수준의 넓은 대역폭 THz 펄스를 생성한다.
• THz 출력은 44.8 MHz의 반복 주기에서 달성되어 고반복 주기 작동이 가능하다.
• 264 W의 내부 평균 출력이 비선형 변환 과정을 구동하여 THz 생성 효율을 크게 향상시킨다.
• 50-µm 두께의 리튬니오브산나트륨 결정을 사용함으로써, 높은 비선형성과 낮은 흡수 성질 덕분에 위상 일치된 효율적인 THz 생성이 가능하다.
• 더 높은 펌프 출력으로의 확장 가능성이 입증되었으며, 킬로와트 수준의 운영이 가능할 잠재력을 보였다.
• 표준 비선형 결정을 사용하여 저비용, 컴act하고 고반복 주기의 THz 소스를 실현할 수 있었다.