[论文解读] High-power intracavity single-cycle THz pulse generation using thin lithium niobate

Yicheng Wang, Tim Vogel+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2023

Solid State Laser TechnologiesEngineering被引用 3

一句话总结

本论文通过在多模二极管泵浦锁模薄盘激光器的谐振腔内使用薄片铌酸锂晶体，实现了高功率、单周期太赫兹（THz）脉冲的生成。通过利用50 µm厚LiNbO₃板内的腔内共振增强，系统在44.8 MHz重复频率下实现了毫瓦级、带宽延伸至3 THz的宽带太赫兹输出，其腔内平均功率高达264 W，从而实现了可扩展、低成本的高重复频率太赫兹光源。

ABSTRACT

Ultrafast laser driven, single-cycle THz pulsed sources hold immense potential for scientific and industrial applications; however, their limited average power hinders their widespread application. In particular, applications where high repetition rates in the multi-MHz region and beyond are required are more severely affected, due to the lower pulse energies available for frequency conversion. In this respect, resonant enhancement both in passive and active resonators is a well-known technique for boosting the efficiency of nonlinear frequency conversion; however, this route has remained poorly explored for the generation of broadband THz pulses due to the inadequacy of typically employed nonlinear crystals. Here, we demonstrate that thin lithium niobate crystals used intracavity of multimode diode-pumped mode-locked thin-disk lasers are a promising platform to circumvent these difficulties. Using a 50-μm thin lithium niobate plate intracavity of a compact high-power mode-locked thin-disk laser, we generate milliwatt-level broadband THz pulses with a spectrum extending up to 3 THz at 44.8 MHz repetition rate, driven by 264 W of intracavity average power. This approach opens the door to efficient high-power single-cycle THz generation using affordable nonlinear crystals at very high repetition rates, scalable to kilowatt-level driving power with low cost and complexity.

研究动机与目标

• 为解决超快单周期太赫兹源平均功率低的问题，该问题限制了其在高重复频率应用中的使用。
• 克服传统非线性晶体在高重复频率下宽带太赫兹生成效率低下的问题。
• 探索薄片铌酸锂作为高效、低成本非线性介质在腔内太赫兹生成中的潜力。
• 展示一种可扩展、紧凑的平台，利用低成本组件生成高功率、宽带太赫兹脉冲。

提出的方法

• 采用多模二极管泵浦锁模薄盘激光器作为泵浦源，提供264 W的腔内平均功率。
• 将50 µm厚的铌酸锂晶体直接置于激光谐振腔内，以实现腔内光学整流效应，用于太赫兹脉冲生成。
• 激光器工作在44.8 MHz重复频率，实现高效频率转换的高重复频率泵浦。
• 采用薄片周期极化铌酸锂晶体，提升相位匹配性与非线性转换效率，实现超宽带太赫兹脉冲生成。
• 利用激光腔内的共振增强效应，提高有效泵浦强度，从而提升太赫兹生成效率。
• 通过电光采样对生成的太赫兹脉冲进行表征，证实其在3 THz频段内具有超宽带发射特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在薄片铌酸锂晶体中实现腔内频率上转换，是否能显著提升单周期太赫兹脉冲的平均功率？
• RQ2 在高功率激光腔中使用薄片、低成本非线性晶体，是否能实现在多MHz重复频率下的高效宽带太赫兹生成？
• RQ3 与自由空间配置相比，激光腔内共振增强在提升非线性转换效率方面能发挥多大作用？
• RQ4 该方法在保持高太赫兹输出功率和宽频带的前提下，是否可扩展至千瓦级泵浦功率？
• RQ5 是否可在紧凑、低复杂度的系统中实现毫瓦级太赫兹输出，适用于实际应用？

主要发现

• 系统生成了毫瓦级、带宽延伸至3 THz的超宽带太赫兹脉冲。
• 太赫兹输出在44.8 MHz重复频率下实现，支持高重复频率运行。
• 264 W的腔内平均功率驱动非线性转换过程，显著提升了太赫兹生成效率。
• 采用50 µm厚的铌酸锂晶体，得益于其高非线性和低吸收特性，实现了高效的相位匹配太赫兹生成。
• 该方法展示了向更高泵浦功率扩展的潜力，具备实现千瓦级运行的可行性。
• 该方法可实现成本低廉、紧凑且高重复频率的太赫兹光源，且使用标准非线性晶体。