Исследование дисперсионных свойств конгруэнтного кристалла ниобата лития в терагерцовом диапазоне частот

Предмет исследования. В терагерцовом диапаз оне частот рассмотрены дисперсионные кривые показателя конгруэнтного ниобата лития (cLN), срезанного перпендикулярно осям x и z. Метод. В исследовании применен метод терагецовой спектроскопии с разрешением во времени, основанный на измерении эллиптичности пробного пучка, прошедшего через изначально изотропный детектирующий кристалл, который при воздействии терагерцового поля становится двулучепреломляющим. Величина наведенного двулучепреломления пропорциональна амплитуде терагерцового поля. С помощью фурье-анализа терагерцового импульса, прошедшего через кристалл cLN, и опорного импульса, не взаимодействующего с объектом, построены частотные зависимости показателя преломления и коэффициента поглощения исследуемого объекта. Основные результаты. Представлены дисперсионные кривые показателя преломления для действительной части показателя преломления кристалла cLN, срезанного вдоль плоскостей (100) и (001), в диапазоне частот 0,25– 1,25 ТГц. Выполнено моделирование распространения полуторапериодного импульса в средах с дисперсиями на основании данных научных работ других авторов. В результате найдены временные формы выходных сигналов. Сделан вывод о неточности дисперсионных кривых из выбранных работ. Выявлены параметры, оптимизация которых позволила устранить неточности отображения дисперсионной зависимости для высокочастотной области терагерцового спектра. Практическая значимость. Полученные результаты о дисперсии очень важны для проектирования устройств, основанных на нелинейно-оптических эффектах. Полученные результаты полезны для генерации разностных частот, оптического выпрямления и генерации терагерцового излучения, а также для областей, где требуются точные данные о терагерцовых дисперсионных свойствах нелинейных кристаллов, в том числе cLN.

1. Glagolewa-Arkadiewa A. Short electromagnetic waves of wave-length up to 82 microns // Nature. 1924. V. 113. N 2844. P. 640–640. https://doi.org/10.1038/113640a0

2. Evenson K.M., Wells J.S., Matarrese L.M. Absolute Frequency Measurements of The CO2 CW Laser at 28 THz (10.6μm) // Applied Physics Letters. 1970. V. 16. N 6. P. 251–253. https://doi.org/10.1063/1.1653183

3. Hangyo M., Tani M., Nagashima T. Terahertz time-domain spectroscopy of solids: A review // International Journal of Infrared and Millimeter Waves. 2005. V. 26. N 12. P. 1661–1690. https://doi.org/10.1007/s10762-005-0288-1

4. Liu M.K., Hwang H.Y., Tao H., Strikwerda A.C., Fan K.B., Keiser G.R., Sternbach A.J., West K.G., Kittiwatanakul S., Lu J.W., Wolf S.A., Omenetto F.G., Zhang X., Nelson K.A., Averitt R.D. Terahertz-field-induced insulator-to-metal transition in vanadium dioxide metamaterial // Nature. 2012. V. 487. N 7407. P. 345–348. https://doi.org/10.1038/nature11231

5. Tcypkin A.N., Melnik M.V., Zhukova M.O., Vorontsova I.O., Putilin S.E., Kozlov S.A., Zhang X.-C. High Kerr nonlinearity of water in THz spectral range // Optics express. 2019. V. 27. N 8. P. 10419–10425. https://doi.org/10.1364/OE.27.010419

6. Tcypkin A., Zhukova M., Vorontsova I., Kulya M., Putilin S., Kozlov S., Choudhary S., Boyd R.W. Giant third-order nonlinear response of liquids at terahertz frequencies // Physical Review Applied. 2021. V. 15. N 5. P. 054009. https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.15.054009

7. Kawase K., Sato M., Taniuchi T., Ito H. Coherent tunable THz-wave generation from LiNbO3 with monolithic grating coupler // Applied Physics Letters. 1996. V. 68. N 18. P. 2483–2485. https://doi.org/10.1063/1.115828

8. Bodrov S.B., Ilyakov I.E., Shishkin B.V., Stepanov A.N. Efficient terahertz generation by optical rectification in Si-LiNbO3-air-metal sandwich structure with variable air gap // Applied Physics Letters. 2012. V. 100. N 20. P. 201114. https://doi.org/10.1063/1.4719674

9. Nagashima K., Kosuge A. Design of rectangular transmission gratings fabricated in LiNbO3 for high-power terahertz-wave generation // Japanese Journal of Applied Physics. 2010. V. 49. N 12R. P. 122504. https://doi.org/10.1143/JJAP.49.122504

10. Zhukova M., Melnik M., Vorontsova I., Tcypkin A., Kozlov S. Estimations of low-inertia cubic nonlinearity featured by electro-optical crystals in the thz range // Photonics. 2020. V. 7. N 4. P. 98. https://doi.org/10.3390/photonics7040098

11. Neu J., Schmuttenmaer C.A. Tutorial: An introduction to terahertz time domain spectroscopy (THz-TDS) // Journal of Applied Physics. 2018. V. 124. N 23. P. 231101. https://doi.org/10.1063/1.5047659

12. Peretti R., Mitryukovskiy S., Froberger K., Mebarki M.A., Eliet S., Vanwolleghem M., Lampin J.-F. THz-TDS time-trace analysis for the extraction of material and metamaterial parameters // IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology. 2018. V. 9. N 2. P. 136–149. https://doi.org/10.1109/TTHZ.2018.2889227

13. Nahata A., Weling A.S., Heinz T.F. A wideband coherent terahertz spectroscopy system using optical rectification and electro-optic sampling // Applied Physics Letters. 1996. V. 69. N 16. P. 2321–2323. https://doi.org/10.1063/1.117511

14. Pálfalvi L., Hebling J., Kuhl J., Ṕter Á., Polgár K. Temperature dependence of the absorption and refraction of Mg-doped congruent and stoichiometric LiNbO3 in the THz range // Journal of Applied Physics. 2005. V. 97. N 12. P. 123505. https://doi.org/10.1063/1.1929859

15. Wang T.D., Lin S.T., Lin Y.Y., Chiang A.C., Huang Y.C. Forward and backward terahertz-wave difference-frequency generations from periodically poled lithium niobate // Optics Express. 2008. V. 16. N 9. P. 6471–6478. https://doi.org/10.1364/OE.16.006471

16. Дроздов А.А., Козлов С.А. Фазовая самомодуляция однопериодных оптических волн // Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики. 2011. № 2(72). С. 99–105.

17. Grachev Y.V., Osipova M.O., Kuz’mina A.V., Bespalov V.G. Determining the working band of frequencies of a pulsed terahertz spectrometer // Journal of Optical Technology. 2014. V. 81. N 8. P. 468–471. https://doi.org/10.1364/JOT.81.000468

18. Li D., Ma G., Ge J., Hu S., Dai N. Terahertz pulse shaping via birefringence in lithium niobate crystal // Applied Physics B. 2009. V. 94. N 4. P. 623–628. https://doi.org/10.1007/s00340-008-3334-6

19. Unferdorben M., Szaller Z., Hajdara I., Hebling J., Pálfalvi L. Measurement of refractive index and absorption coefficient of congruent and stoichiometric lithium niobate in the terahertz range // Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves. 2015. V. 36. N 12. P. 1203–1209. https://doi.org/10.1007/s10762-015-0165-5

20. Mao Z.-L., Hou B.-H., Wang L., Sun Y.-M., Hao W. The study of the terahertz spectral of LiNbO3 crystal // Proc. of the Joint 31st International Conference on Infrared Millimeter Waves and 14th International Conference on Teraherz Electronics. 2006. P. 465–465. https://doi.org/10.1109/ICIMW.2006.368673

21. Самарцев В., Козлов С. Основы фемтосекундной оптики. М.: Физматлит, 2009. 292 с.