[논문 리뷰] Multi-octave spectrally tunable strong-field Terahertz laser

C. Vicario, А. В. Овчинников외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 08. 18.

Terahertz technology and applications참고 문헌 24인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 5옥타브 대역폭(0.5–7 THz)에서 스펙트럼으로 조절 가능한 강력한 필드를 갖춘 테라헤르츠(THz) 레이저 플랫폼을 제시한다. 이 플랫폼은 유기 결정에서 시간적으로 변조된 레이저 빔의 광학 정합을 통해 구현되며, 필드 강도는 수백 MV/m에 이르며, 펄스 지속 시간(1–50주기)과 중심 주파수를 변조 주기 조절을 통해 정밀하게 제어할 수 있다. 이는 30 GHz 이하의 스펙트럼 대역폭과 초저지터를 실현하여 고급 펌프-프로브 실험에 적합하다.

ABSTRACT

The ideal laser source for the emerging research field of nonlinear Terahertz (THz) spectroscopy should offer radiation with a large versatility and deliver both ultra-intense multi-octave spanning single-cycle pulses and user-selectable multi-cycle pulses at narrow linewidth. The absence of such a table-top source has hampered advances in numerous THz disciplines including imaging, nonlinear photonics and spectroscopy, selective out-of-equilibrium excitation of condensed matter and quantum systems. Here we introduce a highly versatile table-top THz laser platform providing single-cycle GV/m transients as well as spectrally narrow pulses tunable in bandwidth and central frequency across 5 octaves with hundreds of MV/m field strength. The compact scheme is based on optical rectification of a temporally modulated laser beam in organic crystals. It allows for the selection of THz oscillation cycles from 1 to >50 and central frequency tuning range from 0.5 to 7 THz by directly changing the modulation period of the driving laser. The versatility of the THz source is demonstrated by providing a broadband 5-octave spanning spectrum as well as a spectrally narrow line tunable across the full optical rectification phase-matching band with a minimum width of dv=30 GHz, corresponding to dE=0.13 meV and lambda^-1=1.1 cm-1. The presented table-top source shows performances similar or even beyond to that of a large-scale THz electron accelerator facility but offering in addition versatile multi-color and advanced femtosecond pump-probe opportunities at ultralow timing jitter.

연구 동기 및 목표

• 비선형 THz 분광법을 위한 유연하고 테이블탑형 강력한 필드를 갖춘 테라헤르츠 복사원 개발
• 광범위한 단일주기 펄스와 스펙트럼으로 좁은 다중주기 펄스를 동시에 제공할 수 있는 컴팩트하고 조절 가능한 소스의 부족 문제 해결
• 5옥타브 범위(0.5–7 THz)에서 사용자 선택이 가능한 중심 주파수 조절을 실현하고, 높은 스펙트럼 해상도와 필드 강도 확보
• 고급 피코초 펌프-프로브 실험에 적합한 초저지터를 갖춘 플랫폼 제공
• 대규모 THz 가속기 시설 수준의 성능을 컴팩트하고 접근 가능한 구조로 실현

제안 방법

• 시스템은 유기 비선형 결정에서 시간적으로 변조된 레이저 빔의 광학 정합을 통해 THz 복사를 생성한다.
• 구동 레이저의 변조 주기가 직접적으로 중심 주파수와 THz 진동 주기 수(1~>50)를 제어한다.
• 결정 내의 위상 일치 조건을 통해 전체 광학 정합 대역에서 넓은 스펙트럼 커버리지를 실현한다.
• 스펙트럼 조절은 변조 주기 조절을 통해 이루어지며, 중심 주파수를 0.5에서 7 THz 사이로 연속 조절 가능하다.
• 이 소스는 단일주기 GV/m 순발력과 동시에 스펙트럼 대역폭이 최소 30 GHz에 이르는 좁은 펄스를 생성한다.
• 펌프 및 프로브 빔의 정밀한 동기화를 통해 초저지터(<1 ps)를 실현한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 컴팩트하고 테이블탑형 THz 소스가 광범위한 단일주기 펄스와 스펙트럼으로 좁은 다중주기 펄스를 고장력으로 동시에 생성할 수 있는가?
• RQ2 단일 컴팩트 플랫폼에서 연속적인 다오크타브 스펙트럼 조절(0.5–7 THz)이 가능한가?
• RQ3 구동 레이저의 변조 주기를 통해 THz 진동 주기 수와 중심 주파수를 독립적으로 제어할 수 있는가?
• RQ4 이러한 시스템에서 달성 가능한 스펙트럼 대역폭과 필드 강도는 어느 정도인가?
• RQ5 이 소스는 대규모 THz 가속기 시설의 성능을 컴팩트하고 접근 가능한 구조에서 따라하거나 초월할 수 있는가?

주요 결과

• 플랫폼은 5옥타브에 이르는 광범위한 스펙트럼을 커버하는 광범위한 테라헤르츠 펄스를 생성한다. (0.5–7 THz)
• 최소 30 GHz의 스펙트럼 대역폭(ΔE = 0.13 meV, λ⁻¹ = 1.1 cm⁻¹)을 갖는 좁은 펄스를 달성하였다.
• 300 MV/m를 초월하는 필드 강도를 측정하였으며, 피크 전기장은 GV/m 수준에 도달하였다.
• 변조 주기 조절을 통해 1에서 50 이상으로 THz 주기 수를 정밀하게 제어할 수 있었다.
• 변조 주기 조절을 통해 전체 0.5–7 THz 범위에서 중심 주파수 조절이 성공적으로 구현되었다.
• 시스템은 초저지터(<1 ps)를 나타내어 고정밀 피코초 펌프-프로브 실험을 가능하게 하였다.