[논문 리뷰] Precise and accurate control of the ellipticity of THz radiation using a photoconductive pixel array

C. D. W. Mosley, Justas Deveikis외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 10.

Terahertz technology and applications참고 문헌 26인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 광학적 비틀림이 없는 파라미터를 갖는 4픽셀 광전도성 발진기를 제안하며, 이는 넓은 대역의 백색 THz 복사에 대해 선형 및 원형 상태에서 97% 이상의 편광 순도를 달성하는 전기적 제어를 가능하게 한다. 수직 및 수평 픽셀에 위상이 이동된 전압을 적용하고 실리콘 프리즘 내에서 전반사 현상을 이용함으로써, 시스템은 하위 도자리 정밀도로 조절 가능한 타원형 및 원형 편광을 생성하며, 측정 1초 후 표준 오차 0.047°로 검증된다.

ABSTRACT

Full control of the ellipticity of broadband pulses of THz radiation, from linear to left- or right-handed circular polarization, was demonstrated via a 4-pixel photoconductive emitter with an integrated achromatic waveplate. Excellent polarization purity and accuracy was achieved, with Stokes parameters exceeding 97% for linear and circular polarization, via a robust scheme that corrected electrically for polarization changes caused by imperfect optical elements. Further, to assess the speed and precision of measurements of the THz polarization we introduced a new figure of merit, the standard error after one second of measurement, found to be 0.047$^{\circ}$ for the polarization angle.

연구 동기 및 목표

• 넓은 대역의 THz 펄스의 편광도를 선형에서 원형 편광으로까지 완전한 전기적 제어를 달성하기 위해.
• 느리고 정밀도가 떨어지는 기계적 편광 제어의 한계를 극복하기 위해.
• 전기 피드백을 통한 실시간 보정을 통해 광학 부품의 완벽하지 않은 특성에 대응하는 시스템을 개발하기 위해.
• THz 편광 제어의 정확도와 정밀도를 평가하기 위한 정량적 지표를 설정하기 위해.
• 이sovotropic 재료 및 새로운 THz 통신 시스템을 위한 고속·고정밀 THz 탄성측정 및 편광측정을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 수직 및 수평 방향으로 편광된 THz 복사를 방출하는 4픽셀 간섭형 광전도성 발진기를 사용하였으며, 적용된 전기장 방향에 따라 각 픽셀이 서로 수직으로 편광된 복사를 방출한다.
• 활성 면적 300 µm × 300 µm에 80 fs 티타늄 도핑 세슘 알루미늄 산화물 레이저 펄스(평균 출력 350 mW)를 사용하여 자극한다.
• 고저항성 플로트존 실리콘으로 제작된 프리즘을 사용하여, 총 내부 반사(TIR)를 통해 비틀림이 없는 1/4파장판으로 기능하는 45° 경사면의 프리즘을 통합한다.
• 수평 및 수직 방향의 방출 픽셀에 위상(φ)이 가변된 정사각형 파형 전압을 적용: VH = V₀cosφ 및 VV = V₀sinφ (V₀ = 10 V).
• 약 41.9°의 입사각에서 TIR를 이용해 p- 및 s-편광 성분 간에 90°의 위상 이동(δp − δs = 90°)을 유도함으로써 선형 편광을 원형 편광으로 전환한다.
• 시간과 주파수 영역에서 THz 전기장의 Ex 및 Ey 성분을 측정하기 위해 [111]-방향 ZnTe 결정을 사용한 편광 해상 전기광학 샘플링을 실시한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 통합된 비틀림이 없는 파라미터를 갖는 다중 픽셀 광전도성 발진기가 THz 편광도의 완전한 전기적 제어를 가능하게 하는가?
• RQ2 기계적 또는 고정 기하학적 시스템에 비해 편광 순도와 정확도는 어느 정도 향상될 수 있는가?
• RQ3 웨이브플레이트나 분광기와 같은 광학 부품의 결함은 시스템이 어떻게 보정하는가?
• RQ4 이 설정을 통해 THz 편광 상태 측정의 가능 정밀도와 속도는 어느 정도인가?
• RQ5 측정 1초 후 표준 오차라는 새로운 성능 지표가 THz 편광 제어 성능을 효과적으로 정량화하는 데 적합한가?

주요 결과

• 시스템은 선형 및 원형 편광 상태 모두에서 97% 이상의 편광 순도를 달성하여, 높은 정밀도의 타원형 편광 제어를 가능하게 한다.
• 측정 1초 후 편광 각도 측정의 표준 오차는 0.047°로 나타나 정밀도와 빠른 측정 속도를 입증한다.
• 1 THz 주파수 범위에서의 빔 프로파일은 σx ≃ σy를 가지며, 빔 중심 이격이 <150 µm로 나타나 우수한 공간적 오버랩과 빔 품질을 확인한다.
• 이전 시스템에서는 비균일한 전기장로 인해 타원형 편광 각도가 대역 전체에서 35°에서 45°로 변동했지만, 이 시스템은 전기적 제어를 통해 안정적이고 조절 가능한 타원형 편광을 달성한다.
• 약한 집중 광선을 사용함으로써 프리즘 표면에서의 각도 분산을 최소화하여 90° 위상 이동을 유지하고 일관된 웨이브플레이트 동작을 보장한다.
• 제안된 성능 지표인 측정 1초 후 표준 오차는 다양한 실험적 방법 간의 편광 제어 성능 비교에 있어 강력하고 보편적인 지표로 검증되었다.