[논문 리뷰] Terahertz brightness at the extreme: demonstration of 5 GV/m, 17 T low frequency {\lambda}3 terahertz bullet

Mostafa Shalaby, C. P. Hauri|arXiv (Cornell University)|2014. 07. 07.

Terahertz technology and applications참고 문헌 25인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 펌프 파면 곡률을 최적화하여 회절 한계에 도달하는 3차원 빛 빔을 λ³ 부피에 고정시킴으로써 극도로 높은 밝기를 달성하는 새로운 테라헤르츠 소스를 제시한다. 동축으로 펌프된 유기 결정(DSTMS 및 OH1)을 사용하여, 피크 전기장이 최대 5 GV/m 및 17 T에 이르는 단일주기 테라헤르츠 펄스를 생성하며, 이는 이전의 레이저 기반 소스보다 수개의 주기 높은 수준이다. 이는 비선형 테라헤르츠 과학의 새로운 영역을 가능하게 한다.

ABSTRACT

The brightness of a light source defines its applicability to nonlinear phenomena in science. Bright low frequency terahertz (< 5THz) radiation confined to a diffraction-limited spot size is a present hurdle due to the broad bandwidth and long wavelengths associated with single-cycle terahertz pulses as well as due to the lack of terahertz wavefront correctors. Here, using a present-technology system, we employ a new concept of terahertz wavefront manipulation and focusing optimization. We demonstrate a spatio-temporal confinement of terahertz energy at its physical limits to the least possible 3-dimensional light bullet volume of lambda cubic. This leads to a new regime of extremely bright terahertz radiation reaching 40 PW/m2 intensity. The presented work is focused on the sub-5 THz range using small aperture organic crystals DSTMS and OH1. The obtained peak field of up to 5 GV/m and 17 Tesla is order of magnitude higher than any reported single-cycle field oscillation in the entire THz range from a laser-based system and surpassing large scale accelerator systems. The presented results are foreseen to have a great impact on future nonlinear terahertz applications in different science disciplines.

연구 동기 및 목표

• 긴 파장과 열악한 빔 품질로 인해 발생하는 테라헤르츠 밝기 저하라는 근본적 과제를 해결하기 위해.
• 물리적 한계인 λ³ 부피에 도달하는 테라헤르츠 복사의 시공간적 고정을 입증하기 위해.
• 작고 레이저 기반 시스템을 사용하여 5 THz 이하 범위에서 예상치 못한 높은 필드 강도를 달성하기 위해.
• 이전의 레이저 구동 및 가속기 기반 소스의 필드 강도 한계를 초월함으로써 비선형 테라헤르츠 응용을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 1.35–1.5 µm 파장에서 65±5 fs 펄스를 발생시키는 100 Hz Ti: Sapphire 기반 3단계 광학 비선형 증폭기(OPA) 시스템을 사용하여 소형 유기 결정을 펌프하였다.
• 비선형 결정에서 펌프 빔의 파면 곡률을 제어하기 위해 전반사식 텔레스코프를 사용하여 파면 오차를 최소화하였다.
• 높은 비선형성(214–240 pm/V)과 높은 손상 임계값(~20 mJ/cm²)을 지닌 높은 효율의 유기 결정(DSTMS 및 OH1)을 선택하였다.
• 테라헤르츠 빔 확산 및 집중을 위해 이심축 거울을 사용하여 거의 회절 한계에 도달하는 빔 품질을 달성하였다.
• 스팟 크기 및 피크 필드를 펄스 에너지와 지속시간을 기반으로 측정하기 위해 마이크로볼로미터 영상 및 校정된 강도 측정을 수행하였다.
• 생성된 펄스의 시간적 및 스펙트럼 특성을 검증하기 위해 전기광학 샘플링(EOS) 및 ABCD 검출을 동시에 사용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 레이저 기반 시스템에서 테라헤르츠 파면 오차를 충분히 보정하여 회절 한계 집중을 달성할 수 있는가?
• RQ2 현재의 소형 레이저 기술로도 단일주기 테라헤르츠 펄스에서 도달 가능한 최대 전기장 강도는 얼마인가?
• RQ3 유기 비선형 결정에서 펌프 빔의 파면 곡률을 최적화함으로써 테라헤르츠 밝기를 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 λ³ 부피로의 시공간적 고정은 테라헤르츠 펄스의 시간적 및 스펙트럼 프로파일에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 테이블탑 레이저 시스템을 사용하여 5 THz 이하 범위에서 5 GV/m를 초월하는 필드 강도를 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 시스템은 5 GV/m 및 17 T의 피크 전기장을 구현하여 이전의 레이저 기반 소스보다 수개의 주기 높은 성능을 달성하였다.
• 테라헤르츠 복사는 약 λ³의 3차원 부피에 고정되어 최대 40 PW/m²의 강도를 기록하는 극도로 높은 밝기를 달성하였다.
• 펌프 빔 곡률 최적화를 통한 파면 제어로 거의 완벽한 테라헤르츠 파면을 확보하여 회절 한계 집중이 가능해졌다.
• 측정된 테라헤르츠 펄스는 DSTMS(1.024 THz) 및 OH1(1.45, 2.85, 약 4.9 THz)에서의 격자 진동 공명으로 인해 스펙트럼 조절이 뚜렷하게 나타나 스펙트럼 엣지가 형성되었다.
• 유기 결정에서의 동축 펌프 방식은 빔 대칭성과 품질을 유지하여 비동축 기법 대비 열등한 집중 성능을 발휘하였다.
• 결과적으로 이는 기존의 레이저 기반 소스뿐 아니라 대규모 가속기 시스템보다도 단일주기 펄스에서 피크 필드 강도가 뛰어난 성능을 보였다.