[논문 리뷰] Millijoule-scale narrowband terahertz pulses via phase manipulation of pump laser pulses

Spencer W. Jolly, Nicholas H. Matlis외 8명|arXiv (Cornell University)|2018. 02. 07.

Terahertz technology and applications참고 문헌 35인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 독립적으로 제어 가능한 두 개의 근적외선(NIR) 펌프 펄스의 고차항 위상 조절을 통해 밀리줄 수준의 협대역 테라헤르츠(THz) 펄스를 생성한다. 두 개의 비선형 결정에서 위상 제어를 최적화함으로써 저자들은 361 GHz에서 1% 대역폭을 가지며 604 μJ의 THz 에너지를 생성하여 협대역 THz 복사에 있어서 기록적인 에너지를 달성한다.

ABSTRACT

Electromagnetic radiation at terahertz (THz) frequencies is a useful tool in probing and controlling matter and light in new and interesting ways, especially at high peak-fields and pulse energies. Generating THz radiation often employs nonlinear optical processes, for which the overlapping of stretched, broadband near-infrared (NIR) pulse copies within nonlinear crystals is common. Here we show that for narrowband THz generation, the higher-order phase present on the NIR pulses offers control of the properties of the THz, for example creating temporally complex THz with multiplexed NIR pulses. We manipulate the phase of two NIR pump pulses independently to remove higher order effects and generate record mJ-level THz in two crystals simultaneously, with an average total energy of 604 microjoule at 361 GHz with 1% bandwidth. This high pulse energy combined with such a narrow bandwidth has broad implications for accelerator applications, resonant driven material studies, and nonlinear THz spectroscopy.

연구 동기 및 목표

• 고에너지, 협대역 테라헤르츠 복사를 고도화된 과학적 응용을 위해 생성하는 데 도전하는 것.
• 일반적으로 광대역 또는 저에너지 펄스를 생성하는 전통적 THz 생성 기법의 한계를 극복하는 것.
• 근적외선 펌프 펄스의 고차항 위상 제어를 활용하여 THz 출력을 형상화하고 강화하는 것.
• 두 비선형 결정을 동시에 최적화하여 THz 에너지를 극대화하면서도 협대역 스펙트럼 대역폭을 유지하는 것.
• 고스펙트럼 정밀도가 요구되는 응용 분야를 위해 1% 이하의 대역폭을 갖는 새로운 THz 펄스 에너지 기준을 달성하는 것.

제안 방법

• 생성된 THz 복사의 시간적 및 스펙트럼 프로파일을 제어하기 위해 두 개의 독립적으로 위상 조절된 근적외선(NIR) 펌프 펄스를 사용하는 것.
• 비선형 왜곡을 억제하고 THz 생성 과정에서의 스펙트럼 제어를 향상시키기 위해 고차항 위상 조작을 적용하는 것.
• 각 결정에서 유도된 THz 출력을 간섭적으로 조합하기 위해 동기화된 구성으로 두 개의 비선형 결정을 활용하는 것.
• THz 펄스에 대한 에너지 전달을 극대화하기 위해 두 NIR 펄스의 상대적 지연과 위상을 최적화하는 것.
• 중심 주파수, 대역폭, 에너지를 포함한 결과 THz 펄스를 특성화하기 위해 스펙트럼 및 시간 진단 기법을 사용하는 것.
• 시간적 채터를 최소화하고 출력 THz 펄스의 스펙트럼 순도를 향상시키기 위해 위상 보정 기법을 구현하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 근적외선 펌프 펄스의 고차항 위상 제어는 협대역, 고에너지 테라헤르츠 펄스의 생성을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 위상 안정화된 펌프 펄스를 사용하여 두 비선형 결정을 연속적으로 사용할 경우, 도달 가능한 최대 테라헤르츠 펄스 에너지는 얼마인가?
• RQ3 두 펌프 펄스의 독립적 위상 조작은 THz 생성 과정에서 스펙트럼 제어와 에너지 변환 효율을 어떻게 향상시키는가?
• RQ4 고에너지 펄스 유지 조건에서 생성된 THz 펄스의 대역폭을 어느 정도까지 줄일 수 있는가?
• RQ5 이 방법은 가속기 과학 및 공진 물질 탐사 응용 분야에 필요한 충분한 스펙트럼 순도와 에너지를 갖춘 THz 펄스를 생성할 수 있는가?

주요 결과

• 이 방법은 중심 주파수가 361 GHz이고 스펙트럼 대역폭이 1%인 협대역 테라헤르츠 펄스를 성공적으로 생성하였다.
• 총 평균 테라헤르츠 펄스 에너지는 604 μJ에 도달하여 협대역 THz 복사에 있어서 기록적인 수준의 에너지를 나타낸다.
• 독립적으로 제어 가능한 두 근적외선 펌프 펄스의 위상 조절을 통해 고차항 비선형 왜곡이 효과적으로 억제되었다.
• 최적화된 위상 및 지연 조건에서 두 비선형 결정을 동시에 작동시켜 THz 출력이 간섭적으로 향상되었다.
• 결과적으로 유도된 THz 펄스는 높은 스펙트럼 순도와 시간적 안정성을 확보하여 정밀 응용에 적합하였다.
• 시연된 방법은 확장 가능하고 고에너지, 협대역 THz 생성을 가능하게 하며, 가속기 기반 실험과 비선형 분광법에 응용 가능성이 있다.