[论文解读] Milliwatt average power, MHz-repetition rate, broadband THz generation in organic crystal BNA with diamond substrate

Samira Mansourzadeh, Tim Vogel+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 26, 2021

Terahertz technology and applications参考文献 37被引用 35

一句话总结

本研究利用重复频率为13.3 MHz、脉冲宽度85 fs、波长1030 nm的Yb共掺杂薄盘激光器，在有机晶体BNA中实现了宽带、毫毫瓦级平均功率的太赫兹（THz）波生成。通过集成金刚石衬底作为散热片，作者实现了0.95 mW的THz平均功率，光学到THz的转换效率为4×10⁻⁴，且在−50 dB电平下光谱带宽超过6 THz，这是在MHz重复频率激发下BNA晶体所报道的最高THz输出功率。

ABSTRACT

We demonstrate a 13.3 MHz repetition rate, broadband THz source with milliwatt-average power, obtained by collinear optical rectification of a high-power Yb-doped thin-disk laser in the organic crystal BNA (N-benzyl-2-methyl-4-nitroaniline). Our source reaches a maximum THz average power of 0.95 mW with an optical-to-THz efficiency of 4e-4 and a spectral bandwidth spanning up to 6 THz at -50 dB, driven by 2.4 W average power (after an optical chopper with duty cycle of 10%), 85 fs-pulses. This high average power excitation was possible without damaging the crystal by using a diamond-heatsinked crystal with significantly improved thermal properties. To the best of our knowledge, this result represents the highest THz average power reported so far using the commercially available organic crystal BNA, showing the potential of these crystals for high average power, high repetition rate femtosecond excitation. The combination of high power, high dynamic range, high repetition rate and broadband spectrum makes the demonstrated THz source highly attractive to improve various time-domain spectroscopy applications. Furthermore, we present a first exploration of the thermal behavior of BNA in this excitation regime, showing that thermal effects are the main limitation in average power scaling in these crystals.

研究动机与目标

• 在MHz重复频率下实现商业可购得的有机晶体BNA的高平均功率太赫兹波生成。
• 克服以往限制有机晶体平均功率扩展的热限制问题。
• 研究BNA在高重复频率、高平均功率激发下的热行为与损伤阈值。
• 展示一种可扩展、高动态范围、宽带太赫兹源，适用于时域光谱分析应用。

提出的方法

• 采用锁模Yb共掺杂薄盘振荡器，输出平均功率106 W，重复频率13.3 MHz，脉冲宽度85 fs。
• 使用赫罗伊特型多通路光路实现光谱展宽和脉冲压缩，实现85 fs脉冲，传输效率达96%。
• 采用可调占空比（10–50%）的光闸，独立控制平均泵浦功率与热载荷。
• 将BNA晶体安装于金刚石衬底上，以增强热管理，防止在高平均功率下发生损伤。
• 在干燥氮气环境下，采用0.2 mm GaP晶体的电光采样与锁相检测技术，实现时域太赫兹场测量。
• 基于分步傅里叶法进行太赫兹生成的数值模拟，综合考虑相位匹配、泵浦光耗尽、非线性极化率及探测系统传递函数。

实验结果

研究问题

• RQ1 在有效缓解热效应的条件下，BNA在MHz重复频率下可实现的最高平均THz功率是多少？
• RQ2 高平均功率激发带来的热载荷如何影响BNA晶体的性能与完整性？
• RQ3 在MHz重复频率、高平均功率激发下，通过使用金刚石散热片，能否显著提升BNA的光学到THz转换效率？
• RQ4 当使用1030 nm、85 fs脉冲泵浦时，BNA中生成的THz脉冲的光谱带宽与动态范围是多少？
• RQ5 热效应在多大程度上限制了BNA等有机晶体中太赫兹波生成的可扩展性？

主要发现

• 本研究实现了0.95 mW的最高THz平均功率，光学到THz的转换效率为4×10⁻⁴，为在MHz重复频率下BNA晶体所报道的最高值。
• THz光谱在−50 dB电平下延伸至6 THz，动态范围超过50 dB，表现出平滑的宽带响应，未出现先前在800 nm及1150–1550 nm泵浦BNA实验中观察到的2 THz dip现象。
• 金刚石散热片结构使系统可在2.4 W平均泵浦功率（光强2500 kW/cm²）下稳定运行，晶体最高温度为63°C，相比无散热片结构显著改善了热管理性能。
• 热效应被确定为主要限制因素，当温度超过68°C时发生不可逆损伤，表明稳定长期运行的安全工作窗口应低于60°C。
• 基于分步傅里叶法的数值模拟结果与实测光谱高度一致，验证了模型的可靠性，并确认相位匹配与材料特性在塑造宽带输出中的关键作用。
• 结果表明，通过改进脉冲压缩（亚10 fs）与主动冷却技术，实现多10 mW量级的功率提升是可行的，可在不增加热载荷的前提下显著提高峰值功率。