[논문 리뷰] Milliwatt average power, MHz-repetition rate, broadband THz generation in organic crystal BNA with diamond substrate

Samira Mansourzadeh, Tim Vogel외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 26.

Terahertz technology and applications참고 문헌 37인용 수 35

한 줄 요약

이 연구는 13.3 MHz 반복 주기, 85 fs, 1030 nm Yb Dopant을 가진 박막 디스크 레이저를 사용하여 유기 결정 BNA에서 광대역, 밀리와트 수준의 평균 전력 테라헤르츠(THz)를 생성함을 보여준다. 다이아몬드 기판을 열교환기로 통합함으로써 저자들은 0.95 mW의 THz 평균 전력과 4×10⁻⁴의 광학-THz 변환 효율, 그리고 −50 dB에서 6 THz를 초과하는 스펙트럼 대역폭을 달성하였으며, MHz 반복 주기 조건에서 보고된 바 중 가장 높은 THz 전력 수준을 기록한다.

ABSTRACT

We demonstrate a 13.3 MHz repetition rate, broadband THz source with milliwatt-average power, obtained by collinear optical rectification of a high-power Yb-doped thin-disk laser in the organic crystal BNA (N-benzyl-2-methyl-4-nitroaniline). Our source reaches a maximum THz average power of 0.95 mW with an optical-to-THz efficiency of 4e-4 and a spectral bandwidth spanning up to 6 THz at -50 dB, driven by 2.4 W average power (after an optical chopper with duty cycle of 10%), 85 fs-pulses. This high average power excitation was possible without damaging the crystal by using a diamond-heatsinked crystal with significantly improved thermal properties. To the best of our knowledge, this result represents the highest THz average power reported so far using the commercially available organic crystal BNA, showing the potential of these crystals for high average power, high repetition rate femtosecond excitation. The combination of high power, high dynamic range, high repetition rate and broadband spectrum makes the demonstrated THz source highly attractive to improve various time-domain spectroscopy applications. Furthermore, we present a first exploration of the thermal behavior of BNA in this excitation regime, showing that thermal effects are the main limitation in average power scaling in these crystals.

연구 동기 및 목표

• 상업적으로 이용 가능한 유기 결정 BNA에서 MHz 반복 주기 조건에서 고평균 전력 THz 생성을 달성하기 위해.
• 이전에 평균 전력 확장에 제한을 둔 유기 결정에서의 열적 제약을 극복하기 위해.
• 고반복 주기, 고평균 전력 조건에서 BNA의 열 거동과 손상 임계값을 조사하기 위해.
• 시간 영역 분광법 응용에 적합한 확장 가능하고 고다이나믹 레인지, 광대역 THz 소스를 구현하기 위해.

제안 방법

• 13.3 MHz 반복 주기, 85 fs 펄스 길이에서 106 W의 평균 전력을 내는 모드-잠금 Yb Dopant 박막 디스크 오실레이터 사용.
• 스펙트럼 확장 및 펄스 압축을 위해 헤로이티타입의 다중 통과 셀을 활용하여 96%의 전송 효율을 달성한 85 fs 펄스를 확보.
• 조절 가능한 듀티 사이클(10–50%)을 갖춘 광학 채퍼를 도입하여 평균 펌프 전력과 열 부하를 별도로 제어.
• BNA 결정을 다이아몬드 기판에 고정하여 열 관리 성능을 향상시키고 고평균 전력 조건에서의 손상을 방지.
• 건조한 질소 가스 환기 조건에서 0.2 mm GaP 결정과 락인 검출을 사용한 전기광학 샘플링을 통한 시간 영역 THz 필드 측정.
• 분할-단계 푸리에 방법을 사용한 수치 시뮬레이션을 통해 위상 일치, 펌프 고갈, 비선형 감도도 및 탐지 시스템의 전달 함수를 통합.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 열 효과를 최소화할 경우, MHz 반복 주기 조건에서 BNA에서 달성 가능한 최대 평균 THz 전력은 얼마인가?
• RQ2 고평균 전력 조건에서의 열 부하가 BNA 결정의 성능과 구조적 안정성에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ3 다이아몬드 열교환기를 사용할 경우, MHz 반복 주기, 고평균 전력 조건에서 BNA의 광학-THz 변환 효율을 크게 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 1030 nm에서 85 fs 펄스로 펌프된 BNA에서 생성된 THz 펄스의 스펙트럼 대역폭과 다이나믹 레인지의 크기는 얼마인가?
• RQ5 열 효과가 BNA와 같은 유기 결정에서의 THz 생성 확장 가능성에 얼마나 큰 제약을 둔다?

주요 결과

• 연구는 MHz 반복 주기 조건에서 0.95 mW의 최대 THz 평균 전력과 4×10⁻⁴의 광학-THz 변환 효율을 달성하였으며, 이는 이전까지 보고된 바 중 가장 높은 성능이다.
• THz 스펙트럼은 −50 dB에서 6 THz까지 확장되며, 다이나믹 레인지가 50 dB를 초과하여, 이전의 800 nm 및 1150–1550 nm 펌프 조건에서 관찰된 2 THz의 골짜기 없이 매끄럽고 광대역 응답을 보였다.
• 다이아몬드 열교환기 구성을 통해 2.4 W의 평균 펌프 전력(2500 kW/cm² 강도)에서 작동이 가능했으며, 최대 결정 온도는 63°C로, 열교환기 없이 사용할 경우에 비해 열 관리 성능이 크게 향상되었다.
• 열 효과가 주요 제약 요소로 규명되었으며, 68°C 이상에서 영구적인 손상이 발생함을 확인하여 안정적인 장기 사용을 위한 안전 작동 창구는 60°C 이하임을 시사한다.
• 분할-단계 푸리에 방법을 기반으로 한 수치 시뮬레이션은 측정된 스펙트럼과 뛰어난 일치를 보였으며, 이는 모델의 타당성을 입증하고 위상 일치 및 물질 특성이 광대역 출력을 형성하는 데 기여함을 확인했다.
• 결과적으로, 향상된 펄스 압축(10 fs 이하)과 능동 냉각을 통해 다이아몬드 수준의 전력 확장을 10 mW 이상으로 가능하게 하며, 열 부하를 증가시키지 않고도 고피크 전력 구현이 가능할 것으로 보인다.