[논문 리뷰] Near-optimal intense and powerful terahertz source by optical rectification in lithium niobate crystal

L. Guiramand, J. E. Nkeck외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 22.

Terahertz technology and applications참고 문헌 22인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 이트륨 도핑된 유니보레이트 레이저와 새로운 펄스 압축 기술을 활용한 리튬니오브산탄(이트륨 도핑된 리튬니오브산탄) 결정에서의 광학 정합을 통해 근접 최적의 고출력 테라헤르츠(THz) 소스를 구현한다. 이 시스템은 평균 53 mW의 THz 출력과 초점에서 310 kV/cm의 전기장 강도를 달성하여 mJ 수준의 펌프 레이저와 경쟁 가능하며, 실온에서 접근 가능하고 고성능의 THz 발생 기술을 발전시킨다.

ABSTRACT

Using an affordable ytterbium laser with sub-mJ of energy combined with a novel pulse compression technique, we demonstrate an extremely competitive state-of-the-art terahertz (THz) source with 53 mW of average power and 310 kV/cm at focus from the tilted-pulse front pumping scheme in lithium niobate at room temperature. Key points of this demonstration include the use of a pump pulse duration of 280 fs in combination with an echelon mirror. Our results present unmatched combined characteristics and are highly competitive with the existing THz sources pumped at the mJ range. This demonstration is a step towards the democratization of access to intense and powerful THz pulses.

연구 동기 및 목표

• 광범위한 실험실 사용에 적합한 저비용, 고출력 테라헤르츠 소스를 개발하기 위해.
• 고에너지(mJ 수준) 펌프 레이저가 필요한 전통적인 테라헤르츠 소스의 한계를 극복하기 위해.
• 실온에서 리튬니오브산탄에서의 광학 정합을 통해 강력하고 집중된 테라헤르츠 전기장을 구현하기 위해.
• 하위-mJ 펌프 에너지가 mJ 수준 시스템과 경쟁 가능한 테라헤르츠 출력을 생성할 수 있음을 입증하기 위해.
• 확장 가능하고 저비용 기술을 통해 강력한 테라헤르츠 소스의 민주화를 촉진하기 위해.

제안 방법

• 하위-mJ 펄스 에너지를 갖는 저비용 이트륨 도핑된 레이저를 펌프 소스로 활용하기 위해.
• 리튬니오브산탄에서 펄스 전면 기울임을 적용하여 위상 일치를 향상시키고 테라헤르츠 발생 효율을 높이기 위해.
• 에클론 미러를 사용하여 정밀한 펄스 압축을 실현하고 280 fs의 펌프 펄스 지속시간을 달성하기 위해.
• 테라헤르츠 출력을 극대화하면서도 실온에서의 작동을 유지하기 위해 광학 장치의 기하학적 구조와 정렬을 최적화하기 위해.
• 주기적으로 도핑된 리튬니오브산탄에서의 광학 정합을 적용하여 초단 펄스 레이저를 광범위한 테라헤르츠 복사로 변환하기 위해.
• 캘리브레이션된 전기광학 샘플링 및 전기장 강도 센서를 사용하여 테라헤르츠 출력과 전기장 강도를 측정하고 정량화하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 하위-mJ 레이저 소스는 mJ 수준 시스템과 비교해도 성능이 유사한 테라헤르츠 복사를 생성할 수 있는가?
• RQ2 리튬니오브산탄에서의 펄스 전면 기울임 펌프 기법은 낮은 펌프 에너지에서도 테라헤르츠 발생 효율을 어떻게 향상시키는가?
• RQ3 저비용 레이저와 함께 작동하는 컴act하고 실온에서 작동하는 장치에서 얻을 수 있는 최대 테라헤르츠 출력과 전기장 강도는 얼마인가?
• RQ4 펄스 압축 기술은 저에너지 레이저로부터의 테라헤르츠 출력을 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 광학 정합과 펄스 전면 기울임의 조합은 확장 가능하고 저비용의 테라헤르츠 소스를 가능하게 할 수 있는가?

주요 결과

• 하위-mJ 펌프 에너지만으로도 평균 53 mW의 테라헤르츠 출력을 달성하였다.
• 초점에서 최대 310 kV/cm의 전기장 강도가 측정되어 높은 전기장 강도를 나타낸다.
• 280 fs 펌프 펄스와 에클론 미러의 조합이 효과적인 펄스 압축과 테라헤르츠 발생 향상을 가능하게 하였다.
• 매우 낮은 펌프 에너지를 사용하고 있음에도 불구하고 시스템의 성능은 기존의 mJ 수준 테라헤르츠 소스와 경쟁 가능하다.
• 실온에서 저비용이고 컴팩트한 레이저 시스템을 사용하여 고출력 테라헤르츠 발생이 가능함을 입증하였다.
• 결과적으로 표준 실험실에서 강력하고 고품질의 테라헤르츠 소스에의 접근 가능성을 크게 향상시켰다.