Оптические свойства нелинейных кристаллов семейства боратов и их применение в источниках интенсивного терагерцового излучения

Введение. Для нелинейных кристаллов семейства боратов характерны высокие значения порога оптического пробоя на длинах волн ближнего инфракрасного диапазона. Как следствие, такие кристаллы являются эффективными генераторами гармоник излучения интенсивных лазерных источников. Последние исследования показали, что нелинейные кристаллы семейства боратов демонстрируют низкое поглощение излучения на субтерагерцовых частотах. Данный факт свидетельствует о возможности их применения в качестве генераторов терагерцового излучения. Выполнено сравнение источников терагерцового излучения на основе преобразования частоты излучения титан-сапфирового лазера в кристаллах бета-бората бария (β-BaB2O4), трибората лития (LiB3O5) и тетрабората лития (Li2B4O7). Метод. Проведен расчет реализуемых типов коллинеарного трехволнового взаимодействия, обеспечивающих генерацию разностной частоты в субтерагерцовом диапазоне с учетом изученной дисперсии главных компонент терагерцового показателя преломления исследованных кристаллов. Для каждого кристалла получены условия фазового согласования и соответствующие длины когерентности. Учитывая тензоры квадратичной восприимчивости, рассчитаны коэффициенты эффективной нелинейности. Выполнены оценка и сравнение эффективности генерации терагерцового излучения в кристаллах с различным срезом. Основные результаты. Результаты расчетов показали, что генерация в кристалле β-BaB2O4 происходит эффективнее на три порядка по сравнению с кристаллом LiB3O5 и на пять — с Li2B4O7. На титансапфировом усилителе экспериментально изучена генерация терагерцового излучения в образце кристалла β-BaB2O4 со срезом θ = 5° (где θ — угол между вектором распространения излучения и главной оптической осью z кристалла), обеспечивающим фазовое согласование для частоты 0,3 ТГц. Сравнение экспериментально полученных данных с численным расчетом показало, что на генерацию излучения оказывают влияние типы взаимодействия o – e → e, e – e → o и o – o → o. При этом значение пиковой мощности терагерцового излучения приблизительно составляет 20 кВт. Обсуждение. Полученные данные будут полезны для разработки генераторов интенсивного излучения субтерагерцового диапазона, основанных на преобразовании энергии мощных лазерных источников. Полученные результаты показали, что увеличение интенсивности оптических полей до предпороговых значений для кристалла β-BaB2O4 позволит достичь десятков гигаватт пиковой мощности терагерцового излучения. Такие источники излучения могут найти применение в системах зондирования атмосферы и ускорителях заряженных частиц.

1. Wu X., Carbajo S., Ravi K., Ahr F., Cirmi G., Zhou Y., Mücke O.D., Kärtner F.X. Terahertz generation in lithium niobate driven by Ti:sapphire laser pulses and its limitations // Optics Letters. 2014. V. 39. N 18. P. 5403–5406. https://doi.org/10.1364/ol.39.005403

2. Antsygin V.D., Mamrashev A.A., Nikolaev N.A., Potaturkin O.I., Bekker T.B., Solntsev V.P. Optical properties of borate crystals in terahertz region // Optics Communications. 2013. V. 309. P. 333–337. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2013.08.014

3. Bernerd C., Segonds P., Debray J., Roux J.-F., Hérault E., Coutaz J.-L., Shoji I., Minamide H., Ito H., Lupinski D., Zawilski K., Schunemann P., Zhang X., Wang J., Hu Z., Boulanger B. Evaluation of eight nonlinear crystals for phase-matched Terahertz second-order difference-frequency generation at room temperature // Optical Materials Express. 2020. V. 10. N 2. P. 561–576. https://doi.org/10.1364/ome.383548

4. Chen C., Sasaki T., Li R., Wu Y., Lin Z., Mori Y., Hu Z., Wang J., Aka G., Masashi Y., Kaneda Y. Nonlinear Optical Borate Crystals: Principles and Applications. Germany: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2012. 406 p.

5. Nakatani H., Bosenberg W.R., Cheng L.K., Tang C.L. Laser-induced damage in beta-barium metaborate // Applied Physics Letters. 1988. V. 53. N 26. P. 2587–2589. https://doi.org/10.1063/1.100535

6. Eimerl D., Davis L., Velsko S., Graham E.K., Zalkin A. Optical, mechanical, and thermal properties of barium borate // Journal of Applied Physics. 1987. V. 62. N 5. P. 1968–1983. https://doi.org/10.1063/1.339536

7. Ezhov D.M., Lubenko D.M., Andreev Y.M. Doubling of THz radiation frequency in nonlinear borate crystals // Russian Physics Journal. 2021. V. 64. N 7. P. 1358–1362. https://doi.org/10.1007/s11182-021-02461-9

8. Komatsu R., Sugawara T., Sassa K., Sarukura N., Liu Z., Izumida S., Segawa Y., Uda S., Fukuda T., Yamanouchi K. Growth and ultraviolet application of Li2B4O7 crystals: Generation of the fourth and fifth harmonics of Nd:Y3Al5O12 lasers // Applied Physics Letters. 1997. V. 70. N 26. P. 3492–3494. https://doi.org/10.1063/1.119210

9. Umemura N., Watanabe J., Matsuda D., Kamimura T. Refined Sellmeier and thermo-optic dispersion formulas for Li2B4O7 // Japanese Journal of Applied Physics. 2017. V. 56. N 3. P. 032602. https://doi.org/10.7567/jjap.56.032602

10. Ezhov D., Turgeneva S., Nikolaev N., Mamrashev A., Mikerin S., Minakov F., Simanchuk A., Antsygin V., Svetlichnyi V., Losev V., Andreev Y. Potential of sub-THz-wave generation in Li2B4O7 nonlinear crystal at room and cryogenic temperatures // Crystals. 2021. V. 11. N 11. P. 1321. https://doi.org/10.3390/cryst11111321

11. Waasem N., Fieberg S., Hauser J., Gomes G., Haertle D., Kühnemann F., Buse K. Photoacoustic absorption spectrometer for highly transparent dielectrics with parts-per-million sensitivity // Review of Scientific Instruments. 2013. V. 84. N 2. P. 023109. https://doi.org/10.1063/1.4792724

12. Röcker C., Weinert P., Villeval P., Lupinski D., Delaigue M., Hönninger C., Weber R., Graf T., Ahmed M.A. Nonlinear absorption in lithium triborate frequency converters for high-power ultrafast lasers // Optics Express. 2022. V. 30. N 4. P. 5423–5438. https://doi.org/10.1364/oe.447255

13. Kato K. Temperature-tuned 90° phase matching properties of LiB3O5 // IEEE Journal of Quantum Electronics. 1994. V. 30. N 12. P. 2950– 2952. https://doi.org/10.1109/3.362711

14. Andreev Y.M., Kokh A.E., Kokh K.A., Lanskii G.V., Litvinenko K., Mamrashev A.A., Molloy J.F., Murdin B., Naftaly M., Nikolaev N.A., Svetlichnyi V.A. Observation of a different birefringence order at optical and THz frequencies in LBO crystal // Optical Materials. 2017. V. 66. P. 94–97. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2017.01.031

15. Yoshida H., Fujita H., Nakatsuka M., Yoshimura M., Sasaki T., Kamimura T., Yoshida K. Dependences of laser-induced bulk damage threshold and crack patterns in several nonlinear crystals on irradiation direction // Japanese Journal of Applied Physics. 2006. V. 45. N 2A. P. 766–769. https://doi.org/10.1143/jjap.45.766

16. Zhang Y., Zheng Y., Xu S., Liu W. Empirical study of nonlinearity tensor dominating THz generation in barium borate crystal through optical rectification // Applied Physics B. 2011. V. 103. N 4. P. 831– 835. https://doi.org/10.1007/s00340-011-4415-5

17. Andreev Y.M., Naftaly M., Molloy J.F., Kokh A.E., Lanskii G.V., Svetlichnyi V.A., Losev V.F., Kononova N.G., Kokh K.A. LBO: optical properties and potential for THz application // Laser Physics Letters. 2015. V. 12. N 11. P. 115402. https://doi.org/10.1088/1612-2011/12/11/115402

18. Wang C.-R., Pan Q.-K., Chen F., Lanskii G., Nikolaev N., Mamrashev A., Andreev Y., Meshalkin A. Phase-matching in KTP crystal for THz wave generation at room temperature and 81 K // Infrared Physics & Technology. 2019. V. 97. P. 1–5. https://doi.org/10.1016/j.infrared.2018.12.012

19. Midwinter J.E., Warner J. The effects of phase matching method and of uniaxial crystal symmetry on the polar distribution of second-order non-linear optical polarization // British Journal of Applied Physics. 1965. V. 16. N 8. P. 1135–1142. https://doi.org/10.1088/0508-3443/16/8/312

20. Shoji I., Nakamura H., Ohdaira K., Kondo T., Ito R., Okamoto T., Tatsuki K., Kubota S. Absolute measurement of second-order nonlinear-optical coefficients of β-BaB2O4 for visible to ultraviolet second-harmonic wavelengths // Journal of the Optical Society of America B. 1999. V. 16. N 4. P. 620–624. https://doi.org/10.1364/josab.16.000620

21. Roberts D.A. Simplified characterization of uniaxial and biaxial nonlinear optical crystals: a plea for standardization of nomenclature and conventions // IEEE Journal of Quantum Electronics. 1992. V. 28. N 10. P. 2057–2074. https://doi.org/10.1109/3.159516

22. Petrov V., Rotermund F., Noack F., Komatsu R., Sugawara T., Uda S. Vacuum ultraviolet application of Li2B4O7 crystals: Generation of 100 fs pulses down to 170 nm // Journal of Applied Physics. 1998. V. 84. N 11. P. 5887–5892. https://doi.org/10.1063/1.368904

23. Sutherland R.L. Handbook of Nonlinear Optics. CRC Press, 2003. 976 p. https://doi.org/10.1201/9780203912539

24. Alekseev S.V., Ivanov N.G., Losev V.F., Mesyats G.A., Mikheev L.D., Ratakhin N.A., Panchenko Y.N. THL-100 multi-terawatt laser system of visible spectrum range // Optics Communications. 2020. V. 455. P. 124386. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2019.124386