ИСТИНА

Работа предполагает исследование новой схемы нелинейно-оптической регистрации непрерывного некогерентного терагерцового излучения. Метод нелинейно-оптического детектирования состоит в регистрации оптического сигнала, являющегося результатом генерации разностной и суммарной частот между внешним, измеряемым, терагерцовым излучением и излучением накачки детектора. Преимуществами предлагаемого подхода являются отсутствие необходимости синхронизации источника и приемника терагерцовых волн друг с другом, возможность работы при комнатных температурах, наличие (контролируемой) спектральной селективности, высокая (сравнимой с болометрическими детекторами) чувствительностью. Возможность отказа от требования синхронизации источника и приемника терагерцовых волн представляет собой конструктивный подход, позволяющий совмещать различные по принципу действия источники и приемники таких волн в одной схеме. В ходе выполнения работы будет на основании результатов спектроскопии спонтанного параметрического рассеяния света дана экспериментальная оценка энергетических характеристик схем терагерцово-оптического преобразования частоты. Будет выполнена экспериментальная проверка возможности высокочувствительной регистрации внешнего непрерывного некогерентного терагерцового излучения. Будет также проведен анализ влияния дифракционных эффектов, согласования пространственных и частотных мод нелинейно-оптического детектора и измеряемого терагерцового излучения, направленный на повышение чувствительности предлагаемой схемы регистрации.

Novel nonlinear-optical registration scheme is studied for the detection of continuous incoherent terahertz radiation. Nonlinear optical detection is performed via registering an optical signal resulting from the difference- and sum-frequency generation between the external terahertz radiation (to be measured) and the detector pump radiation. The advantages of the proposed approach are the absence of the need to synchronize the source and receiver of terahertz waves with each other, the ability to work at room temperature, the presence of (controlled) spectral selectivity, high (comparable with bolometric detectors) sensitivity. No phase locking between the terahertz wave source and receiver is a constructive approach that allows combining sources and receivers of different principles of operation in one circuit. An experimental assessment will be performed of the energy characteristics of terahertz optical frequency conversion schemes based on the spontaneous parametric down-conversion spectroscopy. Experimental verification will be carried out of the possibility of highly sensitive detection of external continuous non-coherent terahertz-wave radiation. The roles will also be analyzed of diffraction effects, of the spatial and frequency modes’ matching between the nonlinear-optical detector and the measured terahertz-wave radiation, aimed at increasing the sensitivity of the proposed registration scheme.

1) Будет дана оценка энергетических характеристик схем параметрического преобразования частоты на основании данных о дисперсии используемой среды и спектроскопии спонтанного параметрического рассеяния света, для источников накачки 795 нм и 514,5 нм. 2) Будет проведена экспериментальная проверка возможности высокочувствительной регистрации внешнего непрерывного некогерентного терагерцового излучения в схеме нелинейно-оптического детектирования при комнатной температуре. 3) Будет проведено аналитическое и численное описание процессов трехволнового взаимодействия при нелинейно-оптическом детектировании терагерцового излучения, с учетом пространственной структуры взаимодействующих пучков и дифракционных эффектов. Будут определены оптимальные параметры регистрирующей системы. Будут проанализированы схемы неколлинеарного взаимодействия.

Коллектив исполнителей имеет опыт экспериментальной характеризации терагерцового отклика нелинейно-оптических детекторов терагерцового излучения. В работах [1-3] опубликованы результаты диагностики терагерцового отклика кристаллов-детекторов с периодически поляризованной структурой, наведенной непосредственно в процессе роста кристалла. В основе метода лежит спектроскопия спонтанного параметрического рассеяния света (СПР). Особенность спектроскопии СПР в данном случае заключается в необходимости работать на нижней поляритонной ветви, что соответствует терагерцовым частотам холостых волн. В данной реализации метод спектроскопии спонтанного параметрического рассеяния представляет собой весьма сложную задачу, связанную с необходимостью получения узкополосной линии накачки нелинейно-оптической среды, а также последующего отсечения излучения накачки, также с помощью узкополосного частотного фильтра. Как показано в работе [1], измерение спектрально-угловых спектров СПР позволяет рассчитать терагерцовый отклик характеризуемого кристалла-детектора и полностью учесть особенности как его внутренней структуры, так и параметров излучения накачки. Дополнительно требуется лишь знание дисперсии коэффициента поглощения в терагерцовом диапазоне, который более рационально определять альтернативными методами либо пользоваться данными справочной литературы. В работах [1,3] приведен формализм нелинейной функции передачи, позволяющей полностью описать отклик нелинейно-оптического кристалла произвольной структуры. [1] Корниенко В.В. и др. // Оптика и спектроскопия, Т. 116, № 4, С. 558-567, (2014). [2] Kitaeva G.Kh. et al. // Appl. Phys. B, Vol. 116, No. 4, pp. 929-937, (2014). [3] Kornienko V.V. et al. // Bern Open Publishing: Proceedings of the International Conference on Advanced Laser Technologies (ISSN: 2296-312X), Vol. 1, (2012); DOI: 10.12684/alt.1.87.

В ходе выполнения проекта были проведены экспериментальные и аналитические исследования двух типов схем регистрации частотно-угловых спектров спонтанного параметрического рассеяния света (СПР) в терагерцовом диапазоне частот холостых волн, а также схемы нелинейно-оптического прямого детектирования терагерцового излучения. Реализована схема частотно-угловой спектроскопии СПР в диапазоне частот холостых волн от 0,4 ТГц (13 см^−1) с использованием диодного лазера (794,8 нм, 50 мВт) в качестве источника накачки. Показана возможность выполнения условия синхронизма для обратных холостых волн, а также возможность одновременного выполнения условий фазового квазисинхронизма в нескольких порядках, в кристалле ниобата лития при использовании длинноволновых (λp ≥ 0,8 мкм) источников накачки. Показано, что влияние усиленного спонтанного излучения (УСИ) существенным образом затрудняет спектроскопию СПР даже при наличии дисперсионных устройств высокой разрешающей силы (дифракционные решетки); для подавления фонового излучения УСИ требуются альтернативные методики подготовки излучения накачки – например, генерация второй гармоники. Экспериментально продемонстрирована возможность нелинейно-оптической регистрации непрерывного терагерцового излучения при комнатных температурах, в регистрирующей системе со спектральной селективностью на базе аргонового лазера (514,5 нм, 100 мВт), без требования синхронизации источника и приемника терагерцовых волн. Эффективность терагерцово-оптического преобразования частоты в такой схеме составила не менее чем 10^−9 при мощности оптической накачки 100 мВт. Показано, что наибольшая эффективность при предлагаемом методе нелинейно-оптической регистрации терагерцовых волн достигается в схеме с боковым заведением внешнего терагерцового излучения через сопрягающий элемент – призму из высокоомного кремния; при этом мощность сигнала увеличивается по сравнению со схемой ввода через переднюю грань нелинейного кристалла не менее чем в 10^2 раз. Разрешающая способность метода по частоте составила 0,05 ТГц, диапазон частот холостых волн – от 0,15 ТГц (5 см^−1). В качестве источников терагерцового излучения использовались лавинно-пролетный диод и лампа обратной волны. Предложенный метод регистрации перспективен при использовании совместно с источниками терагерцового излучения достаточной непрерывной мощности (~0,1 мкВт и выше) и не зависит от физического принципа генерации терагерцового излучения. Проведено аналитическое рассмотрение параметрического преобразования в частотно-невырожденном режиме с учетом конечной ширины фазового синхронизма. Получены выражения, описывающие спектральную плотность энергетической яркости сигнального излучения на выходе параметрического преобразователя для спонтанного параметрического рассеяния и для преобразования внешнего излучения в холостом канале. Введена количественная мера эффектов, связанных с конечной шириной фазового синхронизма – «коэффициент заполнения мод». Показано, что отличие от единицы коэффициента заполнения мод (за счет влияния несинхронных процессов преобразования) может приводить к существенному (вплоть до ~10^2..10^3) увеличению (шумового) сигнала СПР даже для регистрирующих систем со сколь угодно высокой разрешающей способностью (по сигнальной волне). Проведено сравнение расчетных и экспериментальных пространственных распределений поля холостой волны на выходе параметрического преобразователя частоты.