Письма в ЖЭТФ, том 115, вып. 2, с. 71 - 79

Генерация мощного фемтосекундного излучения ближнего и

среднего ИК диапазона (1.2-2.4 мкм) с использованием

широкополосного параметрического преобразования частоты

в кристалле BBO (II типа взаимодействия) с накачкой

титан-сапфировым лазером и его применение для генерации

ТГц излучения в органических кристаллах

Д.З.Сулейманова¹⁾, Н.A.Жидовцев, Ф.В.Потемкин

Физический факультет, МГУ им. М. В. Ломоносова, 119991 Москва, Россия

Поступила в редакцию 20 ноября 2021 г.

После переработки 25 ноября 2021 г.

Принята к публикации 26 ноября 2021 г.

Создан двухкаскадный оптический параметрический усилитель на основе кристаллов BBO II типа

взаимодействия с накачкой мощным излучением титан-сапфирового лазера. Получена генерация фем-

тосекундного излучения, перестраиваемого от ближнего до среднего инфракрасного диапазона длин

волн 1.1-1.6 мкм (сигнальная волна) и 1.6-2.6 мкм (холостая волна) с суммарной эффективностью пре-

образования по энергии 8 %. Выходная энергия генерируемых инфракрасных импульсов составила 840

и 280 мкДж на длинах волн 1.3 и 2 мкм соответственно. Экспериментально продемонстрирована воз-

можность последующей генерации терагерцевого излучения в органическом кристалле DAST на основе

процесса оптического выпрямления при накачке сгенерированным излучением среднего инфракрасного

диапазона. Разработанная модель генерации терагерцевого излучения показала, что увеличение эф-

фективности оптико-терагерцевого преобразования до 3.6 % может быть достигнуто при чирпировании

фемтосекундного излучения среднего инфракрасного диапазона (∼ 2 мкм) до 200 фс.

DOI: 10.31857/S1234567822020021

В последнее время растет интерес к генера-

сталлах [7], а также двухцветная филаментация в га-

ции мощного терагерцевого (ТГц) излучения (0.1-

зах [8].

10 ТГц) в связи с развитием нелинейной оптики в

Эффективная генерация ТГц импульсов длитель-

ТГц диапазоне и различного рода приложений, та-

ностью в несколько периодов поля (0.1-10 ТГц) от

ких как спектроскопия с временным разрешением,

оптической накачки ближнего инфракрасного (ИК)

исследование сверхбыстрого намагничивания, визуа-

диапазона (1.2-1.5 мкм) с напряженностью поля до

лизация (построение изображений) и др [1]. С помо-

десятков МВ/см (с энергией ТГц излучения до

щью интенсивных импульсов ТГц диапазона (с на-

0.9 мДж) была продемонстрирована в нелинейных

пряженностью поля порядка МВ/см) открываются

органических кристаллах (таких как DAST, DSTMS

новые возможности для исследования нелинейного

и OH1) с эффективностью оптико-терагерцевого пре-

взаимодействия ТГц излучения с различными сре-

образования (по энергии) до 3 % [9-12]. Данные кри-

дами, а также для понимания множества интерес-

сталлы обеспечивают высокую нелинейность и об-

ных явлений, в том числе исследования гигантской

ладают прозрачностью, как для оптической накач-

нелинейности в ТГц диапазоне, генерации высоких

ки, так и для ТГц поля, что делает процесс опти-

гармоник ТГц поля и определения ТГц нелинейных

ческого выпрямления эффективным (1-3 %). В слу-

откликов новых метаматериалов [2, 3]. В связи с на-

чае генерации ТГц импульсов на основе двухцветной

личием большого числа приложений мощного ТГц

филаментации эффективность оптико-терагерцевого

излучения были предложены различные методы его

преобразования намного ниже и составляет поряд-

генерации [4, 5], включая оптическое выпрямление в

ка ∼ 0.01 %, а энергия генерируемого ТГц излуче-

нелинейных органических [6] и неорганических кри-

ния составляет до 30 мкДж в газах [13-15]. Также

существенным недостатком является сильная угло-

¹⁾e-mail: dina020698@gmail.com

вая расходимость и коническая структура ТГц излу-

Письма в ЖЭТФ том 115 вып. 1 - 2

2022

Д.З.Сулейманова, Н.A.Жидовцев, Ф.В.Потемкин

чения [16, 17]. Однако данный метод позволяет по-

ское усиление (ОПУ)[22-25]. Применяя подход пря-

лучать более широкий спектр ТГц излучения (до

мого параметрического усиления, сообщается о воз-

60 ТГц), по сравнению с методом на основе опти-

можности получения излучения ближнего и сред-

ческого выпрямления в органических кристаллах, в

него ИК диапазона с энергией мДж уровня (до

которых из-за фононных резонансных линий при-

7 мДж на длине волны 1.4 мкм [22] и до 2.2 мДж

сутствует поглощение в высокочастотной области

на длине волны 2.05 мкм [23]) с суммарной эффек-

(> 4 ТГц). Также преимуществом данного метода яв-

тивностью преобразования до 40 %. Поэтому зада-

ляется отсутствие повреждения газовых сред, что

ча создания эффективных параметрических источ-

позволяет использовать лазерное излучение высо-

ников с накачкой доступными лазерными система-

кой интенсивности, не ограничивая энергию накач-

ми, например, на основе титан-сапфира, остаются ак-

ки. Поэтому увеличение энергии генерируемого ТГц

туальными до сих пор, благодаря возможности мас-

излучения может быть реализовано за счет увели-

штабирования выходной энергии титан-сапфировых

чения энергии накачки, а именно за счет исполь-

лазеров при сохранении длительности на уровне

зования лазерных систем высокой мощности [18]. В

20-50 фс.

то же время в случае генерации ТГц излучения в

В нашей предыдущей работе [26] было проведено

органических кристаллах возможно получение мощ-

теоретическое сравнение схем прямого усиления при

ных импульсов при использовании меньшей энер-

использовании спектрально-ограниченных и чирпи-

гии накачки за счет большей эффективности оптико-

рованных импульсов для преобразования в ближний

терагерцевого преобразования. Поэтому для полу-

и средний ИК диапазон (1.3-2.2 мкм) длин волн на

чения большей энергии ТГц излучения достаточно

основе численного моделирования, основанного на

перспективным и компактным методом является оп-

решении системы укороченных уравнений, описыва-

тическое выпрямление в органических кристаллах.

ющих трехволновое взаимодействие. Было показа-

Однако эффективность преобразования в органиче-

но, что наиболее перспективным оказывается под-

ских кристаллах ограничена процессом многофотон-

ход прямого усиления в нелинейно-оптических кри-

ного поглощения и, как следствие, порогом пробоя

сталлах BBO II типа взаимодействия в случае ис-

данных кристаллов. Переход к более длинным вол-

пользования излучения накачки тераваттного титан-

нам, находящимся в полосе прозрачности кристал-

сапфирового лазера с длительностью импульса 50 фс

ла, позволяет уменьшить многофотонное поглоще-

в силу большей эффективности преобразования по

ние и повысить порог повреждения, а также увели-

энергии и возможности получения коротких импуль-

чить эффективность преобразования за счет умень-

сов.

шения квантового дефекта, что было показано в [19].

В данной работе мы экспериментально реализо-

Так, например, в органическом кристалле DAST па-

вали параметрическое усиление в кристаллах BBO

раметр многофотонности увеличивается от 3 до 4

II типа взаимодействия при накачке субтераватт-

при увеличении длины волны излучения накачки от

ным излучением титан-сапфирового лазера и сгене-

1.24 до 2 мкм.

рировали перестраиваемое фемтосекундное излуче-

На данный момент перед исследователями сто-

ние в среднем ИК диапазоне (1.1-2.6 мкм) с энерги-

ит вопрос о возможности расширения спектра ТГц

ей ∼1 мДж с суммарной эффективностью преобра-

излучения, получаемого в нелинейных органиче-

зования 8 %. Также в работе показана возможность

ских кристаллах, а также увеличения эффектив-

последующей генерации ТГц излучения в органиче-

ности оптико-терагерцевого преобразования за счет

ском кристалле DAST на основе процесса оптическо-

использования перестраиваемого источника накачки

го выпрямления при накачке сгенерированным излу-

ближнего и среднего ИК диапазона длин волн. Од-

чением среднего ИК диапазона.

нако, на сегодняшний день существует лишь огра-

Схема двухкаскадного оптического параметри-

ниченное число лазерных сред, способных обеспе-

ческого усилителя (ПУ) изображена на рис. 1. В

чить мощное (десятки мДж) фемтосекундное (ме-

качестве накачки используется тераваттный титан-

нее 100 фс) излучение накачки в ближнем и сред-

сапфировый лазер с энергией до 60 мДж и длитель-

нем ИК диапазоне [20, 21]. Доступные длительно-

ностью импульсов 50 фс на центральной длине вол-

сти импульсов, а также доступный спектральный

ны 810 нм с частотой следования импульсов 10 Гц.

диапазон, связанные с этими технологиями, огра-

Для накачки двух каскадов ПУ была использована

ничены. Наиболее простым и эффективным спо-

энергия титан-сапфирового лазера порядка 14 мДж,

собом генерации излучения в ближнем и среднем

а остальная часть энергии впоследствии может быть

ИК диапазоне является оптическое параметриче-

использована для накачки третьего каскада ПУ.

Письма в ЖЭТФ том 115 вып. 1 - 2

2022

Генерация мощного фемтосекундного излучения. . .

Рис. 1. (Цветной онлайн) Экспериментальная схема двухкаскадного ПУ на кристаллах BBO II-ого типа взаимодей-

ствия с накачкой излучением титан-сапфирового лазера. DM - дихроичное зеркало, BS1 и BS2 - первый и второй

светоделители, Sa - кристалл сапфира, D - ирисовая диафрагма, P - поляризатор, F - длинноволновый светофильтр,

w1 - сигнальная волна, w2 - холостая волна. На вставках изображены пространственные профили сигнальной волны

на длинах волн 1.18 мкм (после первого кристалла BBO) и 1.33 мкм (после второго кристалла BBO), измеренные с

помощью камер MindVision MV-SUA231GC-T и Spiricon Pyrocam III, соответственно

Диаметр пучка излучения накачки составляет по-

гетичное излучение проходило через полуволновую

рядка 16 × 12 мм (по уровню 1/е²).

пластинку, поляризатор и ирисовую диафрагму, а

В данной схеме в обоих каскадах усиления

затем фокусировалось в кристалл сапфира линзой

используются кристаллы бета-бората бария (β

с фокусным расстоянием

50 мм. Кристалл был

BaB₂O₄, BBO) длиной 2 мм, вырезанные под углами

установлен на трансляционный столик. Линза с

= 25.9^◦, φ = 0◦ для реализации синхронизма

фокусным расстоянием

30 мм, установленная на

II типа. В [26] было показано, что использование

линейный транслятор после кристалла, использова-

кристалла BBO II типа взаимодействия является

лась для коллимации излучения суперконтинуума.

предпочтительным благодаря возможности полу-

Полуволновая пластинка использовалась для пово-

чения большей эффективности преобразования по

рота поляризации излучения инжекции для первого

энергии, что связано с отсутствием паразитных про-

каскада ПУ. На рисунке 2 приведен спектр су-

цессов (генерации вторых гармоник сигнальной и

перконтинуума, зарегистрированный с помощью

холостой волн), несмотря на меньший коэффициент

спектрометра ближнего ИК диапазона (Solar SDH-

эффективной нелинейности (d_eff

= 1.57 пм/В) по

IV). Экспериментально генерация суперконтинуума

сравнению с таковым в случае синхронизма I типа

исследовалась в кристаллах сапфира (Sa) толщиной

(d_eff = 1.94 пм/В).

3 мм и алюмоиттриевого граната (YAG) толщиной

Малая часть выходного излучения титан-

10 мм. Наибольший интерес представляло сравнение

сапфирового лазера с энергией ∼ 25 мкДж, прошед-

спектральной яркости компонент в диапазоне длин

шая через второй светоделитель, использовалась

волн 1.1-1.5 мкм (сигнальная волна) для реализа-

для генерации суперконтинуума, используемого в

ции схемы прямого параметрического усиления.

роли инжекции для первого каскада ПУ. Низкоэнер-

Спектральная яркость генерируемого суперконти-

Письма в ЖЭТФ том 115 вып. 1 - 2

2022

Д.З.Сулейманова, Н.A.Жидовцев, Ф.В.Потемкин

двухлинзовый телескоп 1:2. Для осуществления вто-

рого каскада преобразования использовалась боль-

шая часть излучения накачки с энергией порядка

12.5 мДж, отраженная от первого светоделителя. Это

излучение проходило через вторую линию задерж-

ки и направлялось во второй кристалл BBO без ис-

пользования фокусирующих линз, чтобы уменьшить

влияние нежелательных эффектов самофокусиров-

ки и фазовой самомодуляции излучения накачки в

этой части схемы. Интенсивность излучения накач-

ки на втором кристалле BBO составляла порядка

200 ГВт/см². В эксперименте было выбрано данное

значение интенсивности, так как при интенсивности

накачки, превышающей данное значение, наблюда-

лось уширение спектра накачки за счет процесса фа-

зовой самомодуляции в кристалле. Спектральная се-

Рис. 2. (Цветной онлайн) Спектры суперконтинуума,

лекция сигнальной и холостой волны от излучения

полученного в кристалах сапфира (красная кривая) и

накачки после первого и второго кристаллов BBO

алюмоиттриевого граната (черная кривая) при фила-

осуществлялось с помощью дихроичных зеркал. В

ментации излучения титан-сапфирового лазера

качестве затравочного излучения для второго каска-

да ПУ использовалась холостая волна. В этом случае

нуума существенно зависит как от свойств среды

сигнальная волна отделялась от холостой с помощью

(нелинейный показатель преломления, дисперсия

длинноволнового светофильтра. В работе [23] было

групповой скорости, спектр поглощения и др.), так

отмечено значительное улучшение пространственно-

и от параметров лазерного импульса (энергия, дли-

го качества пучка холостой волны при ее усилении

тельность, длина волны и др.). Так, для излучения

в ПУ.

на длине волны 810 нм дисперсия групповой скоро-

В результате параметрического преобразования

сти в кристалле сапфира составляет ∼56 фс²/мм, а

было получено излучение, перестраиваемое в диапа-

в кристалле YAG ∼ 100 фс²/мм, что с учетом толщи-

зонах 1.1-1.6 мкм (сигнальная волна) и 1.6-2.6 мкм

ны используемых кристаллов приводит к большему

(холостая волна) за счет изменения углов наклона

уширению спектра суперконтинуума и меньшему

кристаллов BBO и плавной регулировки положения

временному разбеганию спектральных компонент

линий задержек. На рисунке 3 изображены спектры

в случае использования кристалла сапфира [27].

сигнальной и холостой волн, генерируемых в пара-

На рисунке 2 представлены результаты измерений

метрическом ИК усилителе и регистрируемых с по-

спектра суперконтинуума, генерируемого в кристал-

мощью спектрометра ближнего ИК-диапазона (Solar

лах сапфира и алюмоиттриевого граната в режиме

SDH-IV).

одиночного филамента. Исходя из полученных

Также на рисунке 3 представлена зависимость

результатов, было обнаружено, что суперконтинуум

энергии сигнальной и холостой волн, измеренная в

с наибольшей спектральной яркостью в указанном

эксперименте, а также представлена аналогичная за-

диапазоне длин волн генерируется в кристалле

висимость, полученная в результате численного мо-

сапфира.

делирования. Стоит отметить, что данные зависи-

Часть излучения накачки с энергией ∼1.5 мДж,

мости достаточно хорошо качественно соотносятся

отраженная от второго светоделителя, проходила че-

(рис. 3). Однако, присутствует некоторое расхожде-

рез линию задержки для согласования по време-

ние абсолютных значений энергий. Это может быть

ни с излучением суперконтинуума и направлялась

связано с тем, что численное моделирование, в ко-

в первый кристалл BBO. Для осуществления пер-

тором процесс параметрического усиления рассмат-

вого каскада параметрического преобразования при

ривался в приближении плоских волн, не учитыва-

использовании энергии излучения накачки порядка

ет пространственные эффекты. Энергия сигнальной

1.5 мДж для поддержания интенсивности излучения

волны остается порядка 500 мкДж во всем диапазоне

накачки на кристалле ∼ 250 ГВт/см² размер пучка

перестройки, а соответствующая измеренная энер-

составлял около 4 мм (по уровню 1/е²), поэтому для

гия холостой волны составляет порядка 200 мкДж

уменьшения размера пучка накачки использовался

или меньше. Наибольшая энергия сигнальной вол-

Письма в ЖЭТФ том 115 вып. 1 - 2

2022

Д.З.Сулейманова, Н.A.Жидовцев, Ф.В.Потемкин

разные знаки в диапазонах длин волн 1.25-1.6 мкм

BBO II типа взаимодействия с увеличением сигналь-

(сигнальная волна) и 1.6-2.3 мкм (холостая волна),

ной длины волны (при использовании излучения на-

соответственно (рис.4). Поэтому импульсы сигналь-

качки на длине волны 800 нм) [28]. А при перестрой-

ке холостой волны в более коротковолновый диапа-

зон происходит аналогичное уменьшение спектраль-

ной ширины импульсов до 70 нм (на длине волны

1.7 мкм).

Также на рисунке

приведены изображения

пространственного профиля генерируемого излуче-

ния на длинах волн 1.18 мкм (после первого кри-

сталла BBO) и 1.33 мкм (после второго кристалла

BBO), измеренные с помощью камер MindVision MV-

SUA231GC-T и Spiricon Pyrocam III, соответствен-

но. При распространении мощного излучения на-

качки в схеме ПУ происходит накопление фазово-

го набега, определяющего мелкомасштабную само-

фокусировку, что приводит к большим значениям В-

интеграла (B > 3) на входе в кристаллы BBO. При

таких значениях B-интеграла мелкомасштабная са-

мофокусировка приводит к сильной модуляции ин-

Рис. 4. (Цветной онлайн) Зависимость расстроек груп-

тенсивности пучка накачки, что негативно влияет на

повых скоростей взаимодействующих импульсов от

длины волны для кристалла BBO II типа взаимодей-

качество пучков сигнальной и холостой волн [29]. По-

ствия с накачкой излучением титан-сапфирового лазе-

этому на данный момент стоит вопрос об оптимиза-

ра на длине волны 810 нм. δsp - сигнальная волна -

ции схемы параметрического усилителя с целью уве-

накачка, δip - холостая волна - накачка

личения эффективности преобразования по энергии

в ближний и средний ИК диапазоны, а также улуч-

ной и холостой волн остаются локализованными в

шения пространственного качества пучков сигналь-

области импульса накачки при распространении в

ной и холостой волн.

кристалле, что обеспечивает максимальную эффек-

С использованием сгенерированного излучения

тивность в этом диапазоне длин волн. Однако до-

параметрического ИК усилителя были проведены

статочно резкий спад энергии ИК излучения около

предварительные эксперименты по генерации ТГц

1.4 мкм может быть объяснен низкой спектральной

излучения в органическом кристалле DAST (Swiss

яркостью излучения суперконтинуума в диапазоне

Terahertz LLC). Излучение ближнего и среднего

длин волн, превышающих 1.3 мкм, что связано со

ИК диапазона на длинах волн 1.3 мкм (сигналь-

спектральной характеристикой дихроичных зеркал.

ная волна) и 2 мкм (холостая волна) с суммар-

Кроме того, энергия импульсов холостой волны явно

ной энергией порядка 200 мкДж использовалось в

ниже на длинах волн выше 2.1 мкм, что объясняется

качестве накачки нелинейного органического кри-

поглощением кристаллов ВВО на длинах волн более

сталла. Спектральная ширина сигнального и хо-

2 мкм. Так, суммарная эффективность преобразова-

лостого импульсов составляла ∼ 65 и 130 нм соот-

ния по энергии составила 8 % (на длинах волн 1.3

ветственно (рис.5), что соответствует длительности

и 2мкм).

спектрально-ограниченных импульсов

и 45 фс.

Спектральная ширина генерируемых сигналь-

Плотность энергии излучения накачки на кристал-

ных и холостых импульсов составляет до

ле составляла порядка 5 мДж/см². ТГц излучение,

до 180 нм (по полувысоте) на центральных длинах

полученное в результате оптического выпрямления,

волн 1.2 и 2.3 мкм, что соответствует длительно-

отделялось от излучения накачки ИК диапазона с

сти спектрально-ограниченных импульсов 25 и 40 фс.

помощью ТГц фильтра низких частот и собиралось

При перестройке сигнальной волны в более длин-

с помощью параболического зеркала с фокусным

новолновый диапазон происходит уменьшение спек-

расстоянием 150 мм в калиброванный детектор Го-

тральной ширины генерируемых импульсов до 65 нм

лея (Tydex, GC-1P) (рис. 5). Эффективность оптико-

(на длине волны ∼ 1.5 мкм), что хорошо согласуется

терагерцевого преобразования в кристалле DAST

с результатами моделирования и связано с уменьше-

толщиной 500 мкм составляла порядка 0.015 %, а

нием спектральной ширины синхронизма кристалла

энергия генерируемого ТГц излучения в этом случае

Письма в ЖЭТФ том 115 вып. 1 - 2

2022

Генерация мощного фемтосекундного излучения. . .

Рис. 5. (Цветной онлайн) Генерация ТГц излучения в органическом кристалле DAST. (a) - Экспериментальная схема

генерации ТГц излучения в органическом кристалле. PM - параболическое зеркало, F - ТГц фильтр низких частот,

D - детектор Голея, w1 - сигнальная волна, w2 - холостая волна, w0 - ТГц излучение. (b) - Спектр сигнальной волны

на центральной длине волны 1.33 мкм. На вставке изображен пространственный профиль сигнальной волны на длине

волны 1.33 мкм, измеренный с помощью камеры Spiricon Pyrocam III. (c) - Спектр холостой волны на центральной

длине волны 2.04 мкм

составляла ∼30 нДж. Достаточно низкое значение

личие двухфотонного поглощения в данном кристал-

эффективности преобразования может быть объяс-

ле в диапазоне длин волн излучения накачки до

нено неоптимальной длиной используемого кристал-

1.4 мкм. Чирпирование импульсов сигнальной вол-

ла и недостаточной областью прозрачности исполь-

ны до 140 фс может позволить уменьшить влияние

зуемого фильтра для селекции ТГц излучения.

этого эффекта за счет уменьшения интенсивности

Для исследования возможности увеличения эф-

излучения накачки на кристалле и, следовательно,

фективности преобразования нами было проведе-

увеличить эффективность преобразования до 2.3 %.

но численное моделирование, основанное на реше-

А в случае использования холостой волны (на длине

нии системы укороченных уравнений, описываю-

волны 2 мкм) в качестве накачки кристалла DAST

щих трехволновое взаимодействие. Процессы гене-

увеличение эффективности преобразования возмож-

рации суммарной и разностной частот рассматри-

но за счет увеличения длительности импульсов холо-

вались в приближениях медленно меняющихся ам-

стой волны. Это связано с тем, что увеличение дли-

плитуд [30] и плоских волн с учетом материальной

тельности импульсов накачки нелинейного кристал-

дисперсии и поглощения в органическом кристалле

ла приводит к уменьшению ширины спектра, генери-

DAST [31, 32]. Численное решение уравнений прово-

руемого ТГц излучения. Так, чирпирование импуль-

дилось с помощью метода Рунге-Кутта 4-го порядка

сов холостой волны позволяет уменьшить ширину

с пространственным разрешением 1 мкм. В резуль-

спектра ТГц излучения до ∼ 2 ТГц, что обеспечивает

тате моделирования было обнаружено, что в случае

лучшее согласование скоростей импульсов накачки и

использования сигнальной волны (на длине волны

ТГц излучения, так как в этом случае длина коге-

1.3 мкм) в качестве накачки кристалла DAST ос-

рентности оказывается равной длине используемого

новным фактором, ограничивающим эффективность

кристалла и составляет ∼ 500 мкм (рис. 6). Согласно

оптико-терагерцевого преобразования, является на-

результатам моделирования, чирпирование импуль-

Письма в ЖЭТФ том 115 вып. 1 - 2

2022

Д.З.Сулейманова, Н.A.Жидовцев, Ф.В.Потемкин

Рис. 6. (Цветной онлайн) Результаты моделирования процесса генерации ТГц излучения в органическом кристалле

DAST толщиной 500 мкм. (a) - Рассчитанная длина когерентности для кристалла DAST при различных значениях

длины волны излучения накачки и генерируемых ТГц частот. (b) - Зависимость эффективности оптико-терагерцевого

преобразования от длины волны накачки в случае использования спектрально-ограниченных и чирпированных им-

пульсов накачки

сов холостой волны до 200 фс позволяет увеличить

быть использован в качестве компактного источни-

эффективность оптико-терагерцевого преобразова-

ка накачки для генерации ТГц излучения в органи-

ния до 3.6 % (рис. 6), а оптимальная плотность энер-

ческих кристаллах на основе процесса оптического

гии излучения накачки на кристалле, соответству-

выпрямления. Отметим, что при накачке кристалла

ющая режиму насыщения генерации ТГц излуче-

DAST толщиной 500 мкм сгенерированным излуче-

ния, возрастает до 16 мДж/см². Более того, возмож-

нием параметрического усилителя на длине волны

но дальнейшее увеличение эффективности преобра-

2 мкм с энергией ∼ 3 мДж, что можно ожидать после

зования за счет увеличения плотности энергии на-

третьего каскада ПУ согласно нашим расчетам в [26],

качки на кристалле, что связано с отсутствием двух-

возможно получение ТГц излучения с энергией до

фотонного поглощения и увеличением порога повре-

90 мкДж при эффективности оптико-терагерцевого

ждения кристалла. Однако данная возможность не

преобразования ∼ 3.6 % при использовании чирпиро-

была рассмотрена в моделировании в связи с отсут-

ванных импульсов холостой волны и выше при уве-

ствием данных о показателе преломления для опти-

личении плотности энергии накачки на кристалле.

ческого излучения в диапазоне 2.3-4 мкм в кристалле

Согласно расчетам, можно получить ТГц импульсы

DAST.

с напряженностью поля до 3 МВ/см. Более того, наи-

В заключение, в работе был продемонстрирован

больший интерес представляет накачка кристалла

DAST в диапазоне длин волн около 2.3 мкм, что со-

двухкаскадный оптический параметрический усили-

тель на основе кристаллов BBO II типа взаимо-

ответствует линии резонансного поглощения оптиче-

действия с накачкой излучением титан-сапфирового

ского излучения. В области поглощения можно ожи-

лазера. Было получено перестраиваемое излучение

дать увеличение групповой длины за счет существо-

ближнего и среднего ИК диапазона длин волн от 1.1

вания области аномальной дисперсии в кристалле в

до 2.6 мкм с суммарной эффективностью преобразо-

этом диапазоне, что должно привести к увеличению

вания по энергии 8 %. Выходная энергия генерируе-

эффективности генерации. Более того, параметриче-

мых ИК импульсов составила 840 и 280 мкДж на дли-

ский ИК усилитель позволяет перестраивать генери-

нах волн 1.3 и 2 мкм соответственно. Было показано,

руемое излучение в диапазоне длин волн 2-2.6 мкм,

что данный параметрический ИК усилитель может

что позволит в дальнейшем исследовать генерацию

Письма в ЖЭТФ том 115 вып. 1 - 2

2022

Генерация мощного фемтосекундного излучения. . .

ТГц излучения в области резонансного взаимодей-

17.

Д. В. Пушкарев, А.А. Ушаков, Е. В. Митина,

ствия.

Н. А. Панов, Д.С. Урюпина, Д.Е. Шипило, Р. В. Вол-

Исследования поддержаны грантом Российского

ков, П. А. Чижов, А. П. Шкуринов, О. Г. Косарева,

научного фонда # 20-19-00148.

А. Б. Савельев, Вестник Московского университета.

Серия 3. Физика. Астрономия 2, 55 (2019).

Выражаем

искреннюю

благодарность

Е. А. Мигаль и А. В. Пушкину за помощь в про-

18.

C. N. Danson, C. Haefner, J. Bromage et al.

ведении экспериментов.

(Collaboration), High Power Laser Science and

Engineering 7, 54 (2019).

19.

C. Gollner, M. Shalaby, C. Brodeur, I. Astrauskas,

S. W. Smye, J. M. Chamberlain, A.J. Fitzgerald, and

R. Jutas, E. Constable, L. Bergen, A. Baltuška, and

E. Berry, Phys. Med. Biol. 46, R101 (2001).

A. Pugžlys, APL Photonics 6, 046105 (2021).

X.C. Zhang, A. Shkurinov, and Y. Zhang, Nature

20.

S. Vasilyev, I. Moskalev, M. Mirov, V. Smolski,

Photon. 11, 16 (2017).

D. Martyshkin, V. Fedorov, S. Mirov, and V. Gapontsev,

T. Kampfrath, K. Tanaka, and K. A. Nelson, Nature

Ultrafast Bandgap Photonics II 10193, 101930U (2017).

Photon. 7, 680 (2013).

21.

E. Migal, A. Pushkin, B. Bravy, V. Gordienko,

K. Reimann, Rep. Prog. Phys. 70, 1597 (2007).

N. Minaev, A. Sirotkin, and F. Potemkin, Opt. Lett.

R.A. Lewis, J. Phys. D: Appl. Phys. 47, 374001 (2014).

44, 2550 (2019).

M. Jazbinsek, U. Puc, A. Abina, and A. Zidansek,

22.

E. J. Takahashi, T. Kanai, Y. Nabekawa, and

Applied Sciences 9, 882 (2019).

K. Midorikawa, Appl. Phys. Lett. 93, 041111 (2008).

F. Junginger, A. Sell, O. Schubert, B. Mayer, D. Brida,

23.

G. Xu, S. F. Wandel, and I. Jovanovic, Rev. Sci.

M. Marangoni, G. Cerullo, A. Leitenstorfer, and

Instrum. 85, 023102 (2014).

R. Huber, Opt. Lett. 35, 2645 (2010).

24.

А. В. Митрофанов, Д. А. Сидоров-Бирюков,

H.G. Roskos, M. D. Thomson, M. Kreb, and

М. В. Рожко, А. А. Воронин, П. Б. Глек, С. В. Рябчук,

A.T. Loffler, Laser Photonics Rev. 1, 349 (2007).

Е. Е. Серебрянников, А. Б. Федотов, А. М. Желти-

C. P. Hauri, C. Ruchert, C. Vicario, and F. Ardana,

ков, Письма в ЖЭТФ 112, 22 (2020).

Appl. Phys. Lett. 99, 161116 (2011).

25.

И. Б. Мухин, М. Р. Волков, И.А. Викулов, Е. А. Пе-

10.

C. Vicario, C. Ruchert, and C. P. Hauri, J. Mod. Opt.

ревезенцев, О. В. Палашов, Квантовая электроника

62, 1480 (2015).

50, 321 (2020).

11.

C. Vicario, M. Jazbinsek, A. V. Ovchinnikov,

26.

Е. А. Мигаль, Д. З. Сулейманова, Ф. В. Потемкин,

O. V. Chefonov, S. I. Ashitkov, M. B. Agranat,

Квантовая электроника 51, 601 (2021).

and C. P. Hauri, Opt. Express 23, 4573 (2015).

27.

H. Liang, P. Krogen, R. Grynko, O. Novak, C. Chang,

12.

C. Vicario, A. V. Ovchinnikov, S. I. Ashitkov,

G. J. Stein, D. Weerawarne, B. Shim, F. X. Kärtner, and

M. B. Agranat, V. E. Fortov, and C. P. Hauri, Opt.

K. Hong, Opt. Lett. 40, 1069 (2015).

Lett. 39, 6632 (2014).

28.

G. Cerullo and S. De Silvestri, Rev. Sci. Instrum. 74, 1

13.

T. I. Oh, Y. S. You, N. Jhajj, E. W. Rosenthal,

(2003).

H.M. Milchberg, and K. Y. Ki, New J. Phys. 15, 075002

29.

В. Н. Гинзбург, А. А. Кочетков, А. К. Потемкин,

(2013).

Е. А. Хазанов, Квантовая электроника 48, 325 (2018).

14.

T. I. Oh, Y. J. Yoo, Y. S. You, and K. Y. Kim, Appl.

Phys. Lett. 105, 041103 (2014).

30.

J. Li, R. Rana, L. Zhu, C. Liu, H. Schneider, and

15.

D. Kuk, Y. J. Yoo, E. W. Rosenthal, N. Jhajj,

A. Pashkin, Opt. Express 29, 22494 (2021).

H.M. Milchberg, and K. Y. Kim, Appl. Phys. Lett. 108,

31.

M. Jazbinsek, L. Mutter, and P. Gunter, IEEE J. Sel.

121106 (2016).

Top. Quantum Electron. 14, 1298 (2008).

16.

C. D’Amico, A. Houard, and M. Franco, Phys. Rev.

32.

P. D. Cunningham and L. M. Hayden, Opt. Express 18,

Lett. 98, 235002 (2007).

23620 (2010).

Письма в ЖЭТФ том 115 вып. 1 - 2

2022