Поляризационные особенности терагерцового излучения, генерируемого двухцветным фемтосекундным филаментом тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.05, кандидат наук Смирнов Семен Владимирович

• Смирнов Семен Владимирович
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Смирнов Семен Владимирович

Введение

Глава 1. Генерация импульсного терагерцового излучения в газах фемтосекундным филаментом

1.1. История открытия филаментации лазерных импульсов

1.2. Нелинейные процессы при распространении фемтосекундного лазерного излучения в диэлектрических средах

1.3. Особенности генерации терагерцового излучения фемтосекундным лазерным филаментом

1.4. Теоретическая модель генерации терагерцового излучения при взаимодействии двух фемтосекундных импульсов в диэлектрической среде

1.5. Особенности состояния поляризации терагерцового излучения, генерируемого фемтосекундным филаментом

Глава 2. Зависимость интенсивности терагерцового излучения, генерируемого двухцветным фемтосекундным филаментом от интенсивности и поляризационных характеристик первой и второй гармоник накачки

Глава 3. Структура и процесс формирования двухцветного фемтосекундного филамента при генерации широкополосного терагерцового излучения

Глава 4. Пространственное распределение поляризации терагерцового поля, генерируемого двухцветным фемтосекундным филаментом

Глава 5. Пространственное распределение амплитуды и фазы терагерцового поля, генерируемого двухцветным фемтосекундным филаментом

Заключение

Благодарности

Список литературы

Приложение 1. Генерация терагерцового излучения одноцветным фемтосекундным филаментом в струе жидкостей

Приложение 2. Экспериментальная работа по оценке зависимости интенсивности терагерцового излучения от различных участков двухцветного фемтосекундного филамента

Приложение 3. Структура и процесс формирования одноцветных филаментов, методом фемтосекундной поляриметрии с разрешением во времени

Приложение 4. Квантовый терагерцовый имаджинг

Введение

Общая характеристика работы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Поляризационные особенности терагерцового излучения, генерируемого двухцветным фемтосекундным филаментом»

Актуальность темы

Терагерцовый (ТГц) диапазон частот представляет собой частотный интервал 0.1 - 25 ТГц и занимает большую часть спектра электромагнитных колебаний от инфракрасного до микроволновым диапазонов. В 1980х годах, с развитием микроэлектроники и появлением коммерчески доступных фемтосекундных оптических систем в исследованиях терагерцового диапазона частот наметился значительный сдвиг.

Наиболее привлекательной для генерации ТГц излучения является метод, предложенный D. J. Cook and R. M. Hochstrasser [1]. При стандартной реализации этого метода фемтосекундный лазерный импульс и его вторая гармоника сфокусированы в воздухе, формируя нить плазмы - фемтосекундный филамент, что дает мощный ТГц импульс с четко определенными значениями электрического поля. Данный метод выделяют из-за отсутствия порога интенсивности накачки, двухцветная схема обеспечивает поразительную производительность, которая может превышать 100 ТГц и, таким образом, охватывает дальнюю и среднюю инфракрасную область. Поэтому именно двухцветный фемтосекундный филамент, как источник импульсного терагерцового излучения, рассматривается в данной работе.

Фемтосекундный филамент представляет собой сложную структуру, исследование которой позволяет лучше разобраться в механике генерации терагерцового излучения. В работе [2] описан процесс формирования одноцветного фемтосекундного филамента, однако для двухцветного данной работы не проводилось. Одна из глав диссертации посвящена исследованию

структуры и процесса формирования двухцветного фемтосекундного филамента используемого для генерации терагерцового излучения.

Одним из важных свойств ТГц излучения является состояние поляризации. Поляризационная оптика для широкополосного терагерцового излучения только в последнее время начала развиваться, поэтому определение состояния поляризации терагерцового излучения, генерируемого двухцветным фемтосекундным филаментом является весьма актуальным. В работах [3; 4] было показано, что терагерцовое поле имеет радиальную поляризацию. В последующих исследованиях эти результаты были дополнены тем, что поляризация ТГц поля имеет эллиптическую структуру [5; 6]. Этот факт можно объяснить либо четырехволновым оптическим взаимодействием, либо оптическим выпрямлением второго порядка внутри зоны филамента, где центральная симметрия воздуха нарушается фемтосекундным лазерным импульсом [7; 8]. Кроме того, было показано, что поляризация ТГц-излучения напрямую зависит от поляризации излучения накачки [6]. Однако все эти исследования были выполнены для THz-поля в целом и не рассматривали возможность отображения локальной поляризации терагерцового пучка. Одна из глав диссертации посвящена получению пространственного распределения ТГц поля во временной области на разных точках пучка независимо и, таким образом, позволяет отображать локальные свойства исследуемого поля, в том числе состояние поляризации, Это, в свою очередь, позволит лучше понять процесс генерации ТГц излучения двухцветным фемтосекундным филаментом.

Цель диссертационной работы:

Исследование поляризационных особенностей терагерцового излучения генерируемого двухцветным фемтосекундным филаментом. Для этого решались следующие задачи:

1. Экспериментальное исследование пространственно-временной структуры двухцветного фемтосекундного филамента.

2. Экспериментальное исследование поляризационного пространственного распределения терагерцового поля во временной области в разных точках пучка генерируемого двухцветного фемтосекундного филамента.

3. Экспериментальные исследования особенностей формирования пространственно-временной динамики терагерцового амплитудно-фазового фронта при генерации двухцветным фемтосекундным филаментом с эллиптической поляризацией первой и второй гармоник накачки.

Научная новизна проведенных исследований:

1. Впервые экспериментально показано, что поляризационный эллипс пространственного распределения терагерцового поля, генерируемого двухцветным фемтосекундным филаментом, является неоднородным по радиальному обходу терагерцового поля и повторяет распределение поляризации первой гармоники накачки, для эллиптической накачки энергией порядка 1,5 мДж для первой и 0,5 мДж для второй гармоник.

2. Впервые экспериментально показана структура и процесс формирования двухцветного фемтосекундного филамента с энергиями накачки порядка 1,5 мДж для первой и 0,5 мДж для второй гармоник.

3. Впервые экспериментально показана амплитудно-фазовая структура терагерцового поля, сгенерированного двухцветным фемтосекундным филаментом с энергиями накачки порядка 1,5 мДж для первой и 0,5 мДж для второй гармоник.

4. Экспериментально выявлены зависимости интенсивности и спектральных характеристик ТГц излучения, генерируемого при двухцветной филаментации, от угла поворота нелинейного кристалла -генератора второй гармоники ВВО. Показана, что максимальная интенсивность в первую очередь обуславливается площадью перекрытия поляризаций первой и второй гармоник.

Практическая значимость:

В работе выявлены методы определения состояния поляризации терагерцового излучения по состоянию поляризации излучения накачки первой и второй гармоник. Эти результаты могут быть использованы для построения и оптимизации терагерцовых спектрометров, использующих двухцветный фемтосекундный филамент в качестве генератора излучения.

На защиту выносятся следующие результаты и положения:

1. Экспериментально зарегистрированы, методом фемтосекундной поляриметрии с разрешением во времени, пространственно-временная структура и процесс формирования двухцветного фемтосекундного филамента при генерации широкополосного терагерцового излучения.

2. Экспериментально показано, что для эллиптических поляризаций первой и второй гармоник накачки максимальная интенсивность терагерцового излучения, генерируемого двухцветным фемтосекундным филаментом, зависит от интегральной площади перекрытия поляризаций первой и второй гармоник накачки.

3. Экспериментально зарегистрировано пространственное распределение коэффициента эллиптичности и угла наклона большой оси эллипса поляризации терагерцового излучения, генерируемого двухцветным фемтосекундным филаментом с эллиптической поляризацией первой и второй гармоник накачки. Пространственное распределение поляризации терагерцового излучения повторяет изменение коэффициента эллиптичности и угла наклона большой оси эллипса поляризации первой гармоники накачки.

4. Пространственно-временное распределение амплитуды и фазы терагерцового поля, генерируемого двухцветным фемтосекундным филаментом с эллиптической поляризацией первой и второй гармоник накачки, представляет собой спирально-вихревые структуры, связанные с неоднородным пространственным распределением состояния поляризации

терагерцового поля.

Список опубликованных автором работ за время обучения в аспирантуре

Статьи в журналах:

1 Smirnov S.V., Kulya M.S., Tcypkin A.N., Putilin S.E., Bespalov V.G. Detection of the polarization spatial distribution of THz radiation generated by two-color laser filamentation // Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics - 2017, Vol. 8, No. 5

2 Smirnov S.V., Grachev Y.V., Tsypkin A.N., Bespalov V.G. Experimental studies of the possibilities of diagnosing caries in the solid tissues of a tooth by means of terahertz radiation //Journal of Optical Technology. - 2014. - Т. 81. -№. 8. - С. 464-467.

3 Balbekin, N. S., Grachev, Y. V., Smirnov, S. V., Bespalov, V. G. The versatile terahertz reflection and transmission spectrometer with the location of objects of researches in the horizontal plane //Journal of Physics: Conference Series. -IOP Publishing, 2015. - Т. 584. - №. 1. - С. 012010.

4 Smirnov S.V., Grachev Y.V., Tsypkin A.N., Kulya M.S., Putilin S.E., Bespalov V.G. Spatial-temporal dynamics of the terahertz field generated by femtosecond filament //Journal of Physics: Conference Series. - IOP Publishing, 2016. - Т. 735. - №. 1. - С. 012065.

5 Rogov P.Y., Smirnov S.V., Semenova V.A., Melnik M.V., Bespalov V.G. Investigation of interaction femtosecond laser pulses with skin and eyes mathematical model //Journal of Physics: Conference Series. - IOP Publishing, 2016. - Т. 737. - №. 1. - С. 012047.

6 Gleim A.V., Egorov V.I., Nazarov Y.V., Smirnov S.V., Chistyakov V.V., Bannik O.I., Anisimov A.A., Kynev S.M., Collins R.J., Kozlov S.A., Buller G.S Polarization insensitive 100 MHz clock subcarrier quantum key distribution over a 45 dB loss optical fiber channel //CLEO: QELS_Fundamental Science. -Optical Society of America, 2015. - С. FF1A. 5.

7 Gleim A.V., Nazarov Y.V., Egorov V.I., Smirnov S.V., Bannik O.I., Chistyakov V.V., Kynev S.M., Anisimov A.A., Kozlov S.A., Vasil'ev V.N. Subcarrier Wave Quantum Key Distribution in Telecommunication Network with Bitrate 800 kbit/s //EPJ Web of Conferences. - EDP Sciences, 2015. - Т. 103. - С. 10005.

8 Chistyakov V.V., Smirnov S.V., Nazarov Y.V., Kynev S.M., Gleim A.V. Achieving high visibility in subcarrier wave quantum key distribution system //Journal of Physics: Conference Series. - IOP Publishing, 2016. - Т. 735. - №. 1. - С. 012085.

9 Gleim A.V., Egorov V.I., Nazarov Y.V., Smirnov S.V., Chistyakov V.V., Bannik O.I., Anisimov A.A., Kynev S.M., Ivanova A.E., Collins R.J., Kozlov S.A., Buller G. Secure polarization-independent subcarrier quantum key distribution in optical fiber channel using BB84 protocol with a strong reference //Optics express. - 2016. - Т. 24. - №. 3. - С. 2619-2633.

10 Глейм А.В., Чистяков В.В., Банник О.И., Егоров В.И., Булдаков Н.В., Васильев В.Н., Гайдаш А.А., Козубов А.В., Смирнов С.В., Кынев С.М., Хоружников С.Э., Козлов С.А., Васильев А.Б. Квантовая коммуникация на боковых частотах со скоростью 1 мбит/с в городской сети //Оптический журнал. - 2017. - Т. 84. - №. 6. - С. 4-9.

Тезисы конференций:

1 Смирнов С.В., Грачев Я.В., Цыпкин А.Н., Куля М.С., Путилин С.Э., Беспалов В.Г. Пространственно-временная динамика ТГц поля, генерируемого фемтосекундным филаментом // Сборник трудов IX Международной конференции молодых ученых и специалистов «Оптика-2015» / Под ред. проф. В.Г. Беспалова, проф. С. А. Козлова. - 2015. - С. 149-150 - 2015

2 Смирнов С.В., Кынев С.М., Чистяков В.В., Егоров В.И., Глейм А.В. Freespace subcarrier wave quantum communication, IET - 2017

3 Смирнов С.В., Чистяков В.В., Назаров Ю.В., Егоров В.И., Глейм А.В. Разработка блока поляризационных искажений с низкими потерями в однонаправленный системе квантовой криптографии // сборник трудов конференции "фундаментальные проблемы оптики 2014" - 2014

4 Назаров Ю.В., Банник О.И., Егоров В.И., Смирнов С.В., Чистяков В.В., Глейм А.В. Создание квантовой сети университета ИТМО // Сборник трудов Международной конференции «Фундаментальные проблемы оптики - 2014». - 2014. - С. 3-4

Глава 1. Генерация импульсного терагерцового излучения в газах

фемтосекундным филаментом

1.1. История открытия филаментации лазерных импульсов

Впервые явление филаментации был зарегистрировано в 1965 году, при фокусировке наносекундных лазерных импульсов, в кювету с органическими жидкостями, мощность лазерного излучения 20 МВт [9]. По измерению зависимости профиля пучка от расстояния были получены параметры филамента и критическая мощность самофокусировки в сероуглероде [10]. Самофокусировка в воздухе зарегистрирована впервые при внешней фокусировке [11] и для коллимированного пучка в работе [12]. В лазерном пучке с высокой интенсивностью может развиваться мелкомасштабная самофокусировка [13], она может приводить к повреждению оптических элементов, о чем говориться в экспериментальных работах 1970 годов [14; 15]. С развитием лазерных систем велась борьба с появлением самофокусировки, т.к. она сопровождается сверхуширением спектра [16], может приводить к деполяризации излучения [17], к повреждению оптических элементов. При развитии мелкомасштабной самофокусировки происходит рассеяние света на большие углы, что ведет к уменьшению яркости излучения.

Наиболее прямой, но не очень радикальный метод борьбы с самофокусировкой это уменьшение нелинейного показателя преломления п2 лазерных стекол. Еще одним методом подавления мелкомасштабных возмущений является ограничение длины нелинейной активной среды. Так же использование световых пучков с круговой поляризацией в активной среде позволило подавить эффект мелкомасштабной самофокусировки. Нарушение временной когерентности пучка, приводит к уменьшению мощности в каждой

пространственной неоднородности, ниже критической мощности самофокусировки. Для подавления крупномасштабной самофокусировки можно использовать пучки большей апертуры [18].

Долгое время предполагали, что фемтосекундные импульсы не смогут распространяться на большие расстояния в воздухе, так как для расстояния в 1 км в воздухе фемтосекундный лазерный импульс длительностью в 30 фс и диаметром пучка 5мм в линейном режиме распространения должен ослабиться примерно в 5000 раз из-за дисперсии и дифракции. Однако в 1995 года в эксперименте [19] интенсивность фемтосекундного лазерного импульса не уменьшилась, а сильно возросла, и прожигало зеркала на расстоянии около 10-ти метров от лазера, вблизи же лазера с этим же зеркалом все было в порядке. Повреждение зеркала происходило из-за нелинейного режима распространения лазерного пучка за счет самофокусировки в воздухе. Таким образом, было обнаружено явление филаментации фемтосекундного лазерного излучения. В 1996 году филаментация наблюдалась на расстояние в 50 метров [20], с увеличением мощности фемтосекундных лазерных систем это расстояние достигало сотен метров [21], а впоследствии и нескольких километров у поверхности земли [22].

Фемтосекундный филамент является источником вторичного излучения за счет своей высокой интенсивности, в работе [20] говориться о конической эмиссии суперконтинуума. Возможность зондирования атмосферы излучением супеконтинуума было продемонстрировано в работах [23; 24]. Фемтосекундный лидар белого света, в котором источником белого света так же являлся фемтосекундный филамент, генерирующий супеконтинуум был использован для зондирования молекул этанола [25]. В работе [26] впервые предложили возможность управления электрическим, высоковольтовым, разрядом с помощью плазменного канала филамента.

1.2.

Нелинейные процессы при распространении фемтосекундного лазерного излучения в диэлектрических средах

При распространении лазерного излучения в среде его поляризация зависит от приложенного поля и может быть представлена в виде степенного ряда, в случае если частота излучения далека от резонансной частоты переходных процессов в среде:

где х(п) - п - порядок нелинейной восприимчивости.

При низкой интенсивности излучения основной вклад идет от первого члена ряда (1), что представляет собой линейный режим распространения лазерного излучения. При процессе филаментации интенсивности лазерного излучения таковы, что ряд (1) обычно заканчивается на третьем члене, а значит, основной вклад в нелинейность вносит параметр ^(3) [27; 28].

Исследования нелинейных процессов распространения лазерного излучения в среде, сопровождающих процесс филаментации, рассматривают, обычно, коллимированный лазерный пучок с поперечным гауссовым распределением интенсивности. Показатель преломления среды, ввиу сильной керровской нелинейности, зависит как от частоты, так и от интенсивности поля !(гД:), по закону:

где по - линейный коэффициент преломления среды, П2 - коэффициент кубической нелинейности среды, зависящий от нелинейной восприимчивости третьего порядка:

р=£о[ х(2)яя+ ...],

(1)

п = По + П21(гД:),

(2)

а интенсивность:

^ = сп0|£|2 8 п

где Е - напряженность поля, с - скорость света. Эта зависимость нелинейного показателя преломления среды от интенсивности лазерного излучения может дать объяснения явления самофокусировки и фазовой самомодуляции.

При распространение мощного лазерного пучка с гауссовым профилем его интенсивность максимальна вдоль оси распространения, поэтому показатель преломления в центре пучка выше, чем на краях, и скорость распространения в центре пучка будет меньше, на краях. Если начальная максимальная мощность лазерного гауссового пучка выше некоторой критической величины возникает искривление волнового фронта, этот эффект называется самофокусировкой (рис. 1а) [27]. Критическая мощность самофокусировки рассчитывается по формуле [29]:

Рсг = Ш^[Вт] (4)

сп 8 пщп2 1 J 47

где Я - длина волны.

Данная величина мощности соответствует условию, когда весь пучок испытывает самофокусировку, как единое целое. На самом деле процесс формирования фемтосекундного филамента хорошо описывается моделью движущихся фокусов. Если временная огибающая распределения мощности описывается вектором Пойнтинга и импульс эквивалентен набору тонких слоев со своей интенсивностью, пиковая мощность превосходит мощность самофокусировки, и импульс имеет гауссов профиль в пространстве, тогда центральный слой пиковой интенсивностью будет коллапсировать на определенном расстоянии как если бы этот слой был непрерывным лазерным пучком. Расстояние определяется выражением [29]:

0,367Xr2

k - волновое число, г - радиус лазерного пучка, P - пиковая мощность в слое. Тогда этот центральный слой сфокусируется первым, так же по мере увеличения интенсивности начнется частичная ионизация среды, в которой происходит фокусировка. По экспериментальным данным, критическая мощность самофокусировки в воздухе составляет порядка 1,72-5 ГВт для излучения с длиной волны 800 нм [27; 28; 30; 31]. Такой разброс в значениях критической мощности самофокусировки объясняется различными условиями проведения эксперимента, например длительностью импульсов лазера.

Возникающая при фокусировке плазма приводит к дефокусировке излучения в слое, это рассеянное излучение может снова самофокусироваться, либо оставаться в так называемом резервуаре филамента (рис. 1б) [32; 33; 34].

Рисунок 1 - (а) Самофокусировка фемтосекундного лазерного пучка, (б) Дефокусировка фемтосекундного лазерного пучка на плазме [27].

Слои, расположенные во времени на переднем фронте импульса и обладающие мощностью выше критической мощности самофокусировки из (4), так же будут испытывать коллапс на расстояниях определяемых выражением (5),

ДП 1(г) длина распространения

|(Г) длина распространения

но значения пиковой мощности будут другими. Эти слои будут так же давать вклад в импульс при рассеянии на плазме или в резервуаре филамента. Слои, расположенные на заднем фронте импульса, по идее должны были сфокусироваться в те же точки, что и слои с такими же значениями интенсивности на переднем фронте. Но на их пути уже присутствует плазма, сформированная предыдущими слоями, таким образом, фемтосекундный лазерный филамент представляет собой сложное распределение интенсивности лазерной накачки [35; 36]. Схематический процесс образования фемтосекундного филамента представлен на Рисунке 2 [37]. При распространении лазерного излучения формируется последовательное чередование керровской самофокусировки и самодефокусировки на плазме и создает ряд горячих точек вдоль оси распространения [38; 32; 39; 40]. Так же при небольших потерях при ионизации может появляться повторная самофокусировка слоя [32; 41].

Рисунок 2 - Схематический процесс формирования фемтосекундного филамента

[37].

При внесении фокусирующей линзы в лазерный пучок точка начала филамента сместиться из (5), новое расстояние задается следующим выражением:

где - новое расстояние, на котором слой испытывает коллапс. Таким образом, с помощью фокусирующей линзы можно контролировать местоположение филамента в пространстве [34]. Так же, по выражениям (5) и (6) видно, что управлять точкой формирования филамента можно несколькими способами. Кроме использования линзы, возможно управлять параметрами лазерного излучения, такими как пиковая мощность импульса, внесение положительного или отрицательного чирпа [37], и изменение радиуса пучка. Комбинируя эти подходы можно изменять точку формирования филамента [42; 43].

1.3. Особенности генерации терагерцового излучения фемтосекундным

лазерным филаментом

Первая экспериментальная работа, в которой было зарегистрировано импульсное терагерцовое излучение в фемтосекундном лазерном филаменте вышла в 1993 году [44], фемтосекундные лазерные импульсы интенсивностью 0,5 Дж и частотой следования 10 Гц фокусировали в газы при различном давлении. Механизм генерации терагерцового излучения в этих экспериментах был основан на возникающем радиальном градиенте интенсивности пучка накачки, что приводило к конической ионизации газов под углом к направлению распространения пучка [45]. Полученные терагерцовые импульсы были длительностью до 2 пс.

На рубеже 2000-х годов был продемонстрирован иной метод генерации импульсного терагерцового излучения [46], для более доступных фемтосекундных лазеров с энергией несколько мДж в импульсе и килогерцовой частотой следования импульсов. К области филамента прикладывалось внешнее постоянное электрическое поле, которое обеспечивало разгон электронов в плазме и тем самым увеличивало фототок, повышая эффективность генерации терагерцового излучения. Направление фототока при этом совпадает с

направлением приложенного электрического поля, поэтому если приложенное поле перпендикулярно направлению распространения фемтосекундного лазерного импульса, то произойдет увеличение амплитуды импульса терагерцового излучения вдоль филамента. Интенсивность терагерцового излучения при данном варианте генерации определяется в основном величиной приложенного напряжения, ограниченной электрическим пробоем газа.

Еще одним интересным методом генерации терагерцового излучения одноцветным фемтосекундным филаментом, является генерация в жидкостях, описанный в приложении 1.

Другим методом, генерации терагерцового излучения стал метод двухцветной фемтосекундной лазерной филаментации, излучение накачки на основной и второй гармониках фемтосекундного лазера [1]. Этот метод заключается в помещении кристалла генератора второй гармоники после фокусирующей линзы, формирующей фемтосекундный филамент. В работе [1] излучение, генерируемое двухцветным фемтосекундным филаментом считалось результатом четырехволнового оптического взаимодействия первой и второй гармоник. При четырехволновом взаимодействии частота генерируемого терагерцового излучения это результат взаимодействия двух фотонов на частоте первой и второй гармоник лазера: ю+ю'-2ю=ОТН2. Разность ю-ю', соответствующая частоте терагерцового излучения, возникает из-за большой ширины спектра фемтосекундного импульса, тогда интенсивность терагерцового излучения, на частоте ПТН2, пропорциональна интенсивности второй гармоники, на частоте 2ю, и квадрату интенсивности излучения первой гармоники:

/гяг~[Х(3)]2/2</< (7)

где х(3 - нелинейная восприимчивость плазмы третьего порядка. Фазовый сдвиг между первой и второй гармониками так же играет важную роль, должно выполняться следующее соотношение:

Ет^Ю-Х^Е]^^«^)^ (у) (8)

При изменении расстояния между линзой, формирующей фемтосекундный филамент, и кристаллом генератором второй гармоники, что приводило к изменению разности фаз между первой и второй гармониками, были отмечены колебания интенсивности [47].

В работе [48] были получены зависимости интенсивности терагерцового поля от интенсивностей излучения первой и второй гармоник накачки рис. 3. А так же при совпадении поляризаций первой и второй гармоник эффективность генерации терагерцового излучения возрастает.

1.2

Рисунок 3 - Зависимости амплитуды ТГц поля от интенсивностей первой (а) и

второй гармоник (б).

Однако механизм четырехволнового взаимодействия не объясняет существующий в экспериментах порог по интенсивности генерации терагерцового излучения, совпадающего с порогом ионизации газа, то есть энергия сгенерированного терагерцового излучения соответствовала бы аномально высокой кубической нелинейности филамента.

Позднее была предложена модель, объясняющая порог генерации терагерцового излучения генерируемого двухцветным фемтосекундным

филаментом, она основывается на идее возникновения фототоков в плазме при ионизации несимметричными импульсами. И именно фототок генерирует импульс терагерцового излучения [49]. Скорость электронов, ионизированных в различные моменты времени, не одинакова. Вероятность их появления при ионизации газа нелинейно зависит от величины электрического поля в определенный момент времени. Когда ионизация идет одночастотным импульсм, то количество электронов с противоположенными скоростями примерно равно и фототока после прохождения импульса накачки нет. Однако если добавить излучение на частоте второй гармоники эта симметрия пропадает, в результате чего появляется ненулевой ток после прохождения импульса накачки. При затухании возникшего фототока генерируется терагерцовое излучение.

На сегодняшний день двухцветный фемтосекундный филамент позволяет получить наибольшие интенсивности генерируемого терагерцового излучения среди лазерно-плазменных источников при одинаковой энергии накачки. Поэтому исследовательские группы проявляют к нему особенное внимание. Работа [50] посвящена увеличению эффективности генерации терагерцового излучения при использовании параболических зеркал вместо фокусирующих линз, в работе [51] обнаружено изменение поляризации терагерцового поля за счет поворота поляризации второй гармоники. По этим причинам в данной диссертации рассматривается метод генерации терагерцового поля двухцветным фемтосекундным филаментом.

За последние годы проведено множество исследований особенностей генерации терагерцового излучения в фемтосекундном филаменте. Демонстрировалась возможность управления параметрами генерации при изменении поляризации и фаз излучения накачки, а так же в зависимости от свойств газовой среды. В работах [52; 53; 54] рассматривались зависимости эффективности генерации терагерцового излучения от давления газа. При высоком давлении спектр генерируемого излучения изменялся, это объяснялось уменьшением когерентности фотоэлектронов при их рассеянии в газовой среде.

Так же теоретически была рассчитана возможность изменения спектра терагерцового излучения путем контроля моментов туннельной ионизации атомов, зависящих от фазы и частоты излучения накачки фемтосекундного лазера.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Смирнов Семен Владимирович, 2017 год

Список литературы

1 Cook D. J., Hochstrasser R. M. Intense terаhеrtz pulses by fоur-wаvе

in аir //Optics letters. - 2000. - Т. 25. - №. 16. - C 1210-1212.

2 Chen Y. H. et al. Direct mеаsurement of the electron dеnsity of extended femtosеcond laser pulsе-inducеd filаments //Physical review letters. - 2010. - ^ 105. - №. 21. - C 215005

3 D'Amico C. et al. Conical forwаrd THz еmissiоn frоm fеmtоsеcоnd-lаsеr-bеаm filаmеntаtiоn in аir //Physical review letters. - 2007. - ^ 98. - №. 23. - C 235002.

4 Amico C. D. et al. Forward THz rаdiаtion еmissiоn by fеmtоsеcоnd filamentation in gasеs: thеоry аnd еxpеrimеnt //New Journal of Physics. - 2008. - ^ 10. - №. 1. - C 013015.

5 Zhang Y. et al. Non-radially polarized THz pulse emitted from femtosecond laser filament in air //Optics express. - 2008. - ^ 16. - №. 20. - C 15483-15488.

6 Y. Chen, C. Marceau, W. Liu, Zhen-Dong Sun, Y. Zhang, F. Thberge, M. Chteauneuf, J. Dubois, and S. L. Chin, Appl. Phys. Lett.93 /No 23, 231116 (2008).

7 Bejot P., Kasparian J., Wolf J. P. Dual-color co-filamentation in Argon //Optics express. - 2008. - ^ 16. - №. 18. - Q 14115-14127.

8 D. Dietze, J. Darmo, S. Roither, A. Pugzlys, J. N. Heyman, and K. Unterrainer, JOSA B. 26 No 11, 2016-2027 (2009).

9 Pilipetskii N.F., Rustamov A.R. Observation of self-focusing of light in liquids // JETP Lett. 1965. V. 2.—P. 55-56.

10 Garmire E., Chiao R. Y., Townes C. H. Dynamics and characteristics of the self-trapping of intense light beams //Physical Review Letters. - 1966. - ^ 16. - №. 9. - C 347.

11 Korobkin V. V., Alcock A. J. Self-focusing effects associated with laser-induced air breakdown //Physical Review Letters. - 1968. - Т. 21. - №. 20. - С. 1433.

12

Basov N. G. et al. Production of powerful ultrashort light pulses in a neodymium glass laser //Sov. Phys. JETP. - 1970. - Т. 30. - С. 641-645.

13

Беспалов В.И., Таланов В.И. О нитевидной структуре пучков света в нелинейных жидкостях //Письма в ЖЭТФ. 1966. Т. 3. № 12.—С. 471-476.

14 Басов Н. Г. и др. Получение мощных световых импульсов на длинах волн 1, 06 и 0, 53 мкм и их применение для нагрева плазмы. I. Экспериментальные исследования процессов отражения излучения при лазерном нагреве плазмы на двух длинах волн //Квантовая электроника. -1972. - №. 5 (11. - С. 63-71.

15 Fleck Jr J. A., Layne C. Study of self-focusing damage in a high-power Nd: glassrod amplifier //Applied Physics Letters. - 1973. - Т. 22. - №. 9. - С. 467-469.

16 Бондаренко Н.Г., Еремина В. И., Таланов В. И. // письма в ЖЭТФ. - 1970.

- Т. 12. - С. 35.

17 Крыжановский В.И., Сизов В. П., Серебряков В. А. И др. // опт. И спектр.

- 1975. - Т. 38. - С. 1182.

18 Мак А. А. и др. Лазеры на неодимовом стекле. - Наука, 1990.

19 Braun A. et al. Self-channeling of high-peak-power femtosecond laser pulses in air //Optics letters. - 1995. - Т. 20. - №. 1. - С. 73-75.

20 Nibbering E. T. J. et al. Conical emissrnn from s^f-guid^ femtosecоnd pu^s in air //Optics letters. - 1996. - Т. 21. - №. 1. - С. 62-64.

21 La Fontaine B. et al. Filаmеntаtion оf u^as^ri pu^ lаsеr bеаms resulting from Шеи prоpаgаtiоn ovеr long distаncеs in ап //Physics of plasmas. - 1999. - Т. 6.

- №. 5. - С. 1615-1621.

22 Mechain G. et al. Яа^е of р1аБша filаmеnts crеatеd in ап by a шиШ^ега^^ай fsmtosecond 1аser //Optics Communications. - 2005. - Т. 247. - №2. 1. - С. 171180.

23 Wöste L. et al. Femtosecond White Light for Atmospheric Remote Sensing //Optoelektronik. - 1997. - Т. 29. - С. 51-53.

24 Kasparian J. et al. White-light filaments for аtmosphеric аnа1ysis //Science. -2003. - Т. 301. - №. 5629. - С. 61-64.

25 Luo Q. et al. Rеmote sensing of pollu^ts using fеmtosecond 1аsеr pu^ fluorescence spectroscopy //Applied Physics B: Lasers and Optics. - 2006. - Т. 82. - №. 1. - С. 105-109.

26 Davis K. M. et al. Writing wаvеguidеs in gkss with a fеmtosеcond 1аsеr //Optics letters. - 1996. - Т. 21. - №. 21. - С. 1729-1731.

27 Couairon A., Mysyrowicz A. Femtosеcond fi1aшеntаtiоn in transparent mеdiа // Physics reports. - 2007. - Т. 441. - №. 2. - С. 47-189.

28 Кандидов В. П., Шленов С. А., Косарева О. Г. Филаментация мощного фемтосекундного лазерного излучения // Квантовая электроника. - 2009. -Т. 39. - №. 3. - С. 205-228.

29 Marburger J. H. Self-focusing: theory // Progress in Quantum Electronics. -1975. - Т. 4. - С. 35-110.

30 Liu W., Chin S. L. Direct measurement of the critical power of femtosecond Ti: sapphire laser pulse in air //Optics Express. - 2005. - Т. 13. - №. 15. - С. 57505755.

31 Polynkin P., Kolesik M. Critical power for self-focusing in the case of ultrashort laser pulses //Physical Review A. - 2013. - Т. 87. - №. 5. - С. 053829.

32 Mlejnek M., Wright E. M., Moloney J. V. Dy^mic spаtiа1 rеp1еnishmеnt of fеmtosеcond pu^s propаgаting in ап //Optics Letters. - 1998. - Т. 23. - №. 5. - С. 382-384.

33 Mlejnek M., Wright E. M., Moloney J. V. Moving-focus versus self-wаvеguiding modеl for long-distаncе propаgation of femtosеcond pu^s in air // IEEE journal of quantum electronics. - 1999. - Т. 35. - №. 12. - С. 17711776.

34 Кандидов В. П., Косарева О. Г., Колтун А. А. Нелинeйно-оптичeская трансформaция мощного фeмтосекундного лазeрного импульсa в воздухе //Квантовая электроника. - 2003. - Т. 33. - №. 1. - С. 69-75.

35 Fujimoto M., Aoshima S., Tsuchiya Y. Multifrаmе obsеrvаtion of an ^еше fеmtоsecond opt^l pu^ prоpаgating in аir // Optics letters. - 2002. - Т. 27. -№. 5. - С. 309-311.

36 Akozbek N. et al. Femtosеcond pulse prоpаgation in ап: vаriаtional аnalysis //Physical Review E. - 2000. - Т. 61. - №. 4. - С. 4540.

37 Chin S. L. et al. The propagаtiоn of pоwеrful fеmtоsеcond lаsеr pu^s in opticаlmedia: physics, applications, and new challenges //Canadian journal of physics. - 2005. - Т. 83. - №. 9. - С. 863-905.

38

Brodeur A. et al. Moving focus in the propagation of ultrashort laser pulses in air //Optics Letters. - 1997. - Т. 22. - №. 5. - С. 304-306.

39 Kosareva O. G. et al. From filamentation in condensed media to filamentation in gases //Journal of Nonlinear Optical Physics & Materials. - 1997. - Т. 6. - №. 04. - С. 485-494.

40 Chiron A. et al. Numerical simulаtiоns of the ^nlinear propаgаtiоn оf femtoseœnd оptical pu^s in gаsаs //The European Physical Journal D-Atomic, Molecular, Optical and Plasma Physics. - 1999. - Т. 6. - №. 3. - С. 383-396.

41 Talebpour A., Petit S., Chin S. L. Re-focusing during the prоpаgаtiоn of a focused femtoseœnd Ti: Sapphire laser pulse in air //Optics Communications. -1999. - Т. 171. - №. 4. - С. 285-290.

Fibich G. et al. Control of the collаpsе distаncе in аtmosphеric propаgаtion //Optics express. - 2006. - Т. 14. - №. 12. - С. 4946-4957.

43 Chin S. L. Femtosеcond lаsеr filamentаtion. - New York : Springer, 2010. - T. 55.

44 Hamster H. et al. Subpicosеcond, elеctromаgnetic pulsеs from intеnse laser-plаsma intеraction //Physical Review Letters. - 1993. - T. 71. - №. 17. - C. 2725.

45 Hamster H. et al. Short-pulse terahertz radiation from high-intensity-laser-produced plasmas //Physical Review E. - 1994. - T. 49. - №. 1. - C. 671.

46 Löffler T., Jacob F., Roskos H. G. Gеneration of terahertz pulses by photoionizatiоn of electrically biased air //Applied Physics Letters. - 2000. - T. 77. - №. 3. - C. 453-455.

47 Kress M. et al. Terahertz-pulse generation by photoionization of air with laser pulses composed of both fundamental and second-harmonic waves //Optics Letters. - 2004. - T. 29. - №. 10. - C. 1120-1122.

48

Xie X., Dai J., Zhang X. C. Coherent control of THz wave generation in ambient air //Physical Review Letters. - 2006. - T. 96. - №. 7. - C. 075005.

49 Kim K. Y. et al. Terahertz emission from ultrafast ionizing air in symmetry-broken laser fields //Optics Express. - 2007. - T. 15. - №. 8. - C. 4577-4584.

50 Blanchard F. et al. Improved terahertz two-color plasma sources pumped by high intensity laser beam //Optics express. - 2009. - T. 17. - №. 8. - C. 6044-6052.

51 You Y. S., Oh T. I., Kim K. Y. Mechanism of elliptically polarized terahertz generation in two-color laser filamentation //Optics letters. - 2013. - T. 38. - №. 7. - C. 1034-1036.

52 Roskos H. G. et al. Broadband THz emission from gas plasmas induced by femtosecond optical pulses: From fundamentals to applications //Laser & Photonics Reviews. - 2007. - T. 1. - №. 4. - C. 349-368.

53 Manceau J. M., Massaouti M., Tzortzakis S. Coherent control of THz pulses polarization from femtosecond laser filaments in gases //Optics express. - 2010. - T. 18. - №. 18. - C. 18894-18899.

54 Karpowicz N., Zhang X. C. Coherent terahertz echo of tunnel ionization in gases //Physical review letters. - 2009. - Т. 102. - №. 9. - С. 093001.

55 Андреев А. А. и др. Генерация сверхширокополосного терагерцового излучения при оптическом пробое воздуха двумя разночастотными фемтосекундными импульсами //Оптика и спектроскопия. - 2009. - Т. 107.

- №. 4. - С. 570-577.

56 Бахтин М.А., Козлов С.А., Шполянский Ю.А. // Оптический журнал. 2007. Т. 74. № 11. С. 24-29.

57 Козлов С.А., Самарцев В.В. Основы фемтосекундной оптики М.: Физматлит, 2007. 292 с.

58 Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1973. 120 с.

59 Штумпф С.А., Королев А.А., Козлов С.А. // Изв. РАН, сер. физ. 2006. Т. 70. № 1. С. 124-130.

60 Штумпф С. А., Королев А.А., Козлов С.А. // Изв. РАН, сер. физ. 2007. Т. 71. № 2. С. 158-161.

61 Штумпф С. А. и др. Закономерности генерации импульсов из малого числа колебаний инфракрасного и терагерцового диапазонов спектра при взаимодействии в воздухе двух разночастотных фемтосекундных световых импульсов //Оптика и спектроскопия. - 2010. - Т. 109. - №. 5. - С. 824-831.

62 Верлань А.Ф., Сизиков В.С. Интегральные уравнения: методы, алгоритмы, программы. Киев: Наукова думка, 1986. 542 с.

63

Марчук Г.И. Методы вычислительной математики. М.: Наука, 1980. 608 с.

64 Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1984. 832 с.

65 Wen H., Lindenberg A. M. Cohеrеnt tеrаhеrtz polаrizаtion соПго1 thrnugh шатриМ^ of еЬсй^ ü^ertones //Phys^al review letters. - 2009. - Т. 103.

- №. 2. - С. 023902.

66 Dai J., Karpowicz N., Zhang X. C. Coherent polarization control of terahertz waves generated from two-color laser-induced gas plasma //Physical Review Letters. - 2009. - T. 103. - №. 2. - C. 023001.

67 Houard A. et al. Polarization analysis of terahertz radiation generated by four-wave mixing in air //Optics letters. - 2008. - T. 33. - №. 11. - C. 1195-1197.

68 Karpowicz N. et al. Coherent heterodyne time-domain spectrometry covering the entire "terahertz gap" //Applied Physics Letters. - 2008. - T. 92. - №. 1. - C. 011131.

69 Gryaznov G. A. et al. Modeling of nonlinear optical activity in propagation of ultrashort elliptically polarized laser pulses //Physical Review E. - 2014. - T. 89.

- №. 1. - C. 013306.

70 Stagira S. et al. Nonlinear guided propagation of few-optical-cycle laser pulses with arbitrary polarization states //Physical Review A. - 2002. - T. 66. - №. 3.

- C. 033810.

71 Shan J., Dadap J. I., Heinz T. F. Circularly polarized light in the single-cycle limit: the nature of highly polychromatic radiation of defined polarization //Optics express. - 2009. - T. 17. - №. 9. - C. 7431-7439.

72 Amer N. et al. Generation of terahertz pulses with arbitrary elliptical polarization //Applied Physics Letters. - 2005. - T. 87. - №. 22. - C. 221111.

73 Makabe H. et al. Polarization state measurement of terahertz electromagnetic radiation by three-contact photoconductive antenna //Optics express. - 2007. -T. 15. - №. 18. - C. 11650-11657.

74 Lu X., Zhang X. C. Generation of elliptically polarized terahertz waves from laser-induced plasma with double helix electrodes //Physical review letters. -2012. - T. 108. - №. 12. - C. 123903.

75 Ho I. C., Guo X., Zhang X. C. Design and performance of reflective terahertz air-biased-coherent-detection for time-domain spectroscopy //Optics Express. -2010. - T. 18. - №. 3. - C. 2872-2883.

76 D'Angelo F. et al. Ultra-broadband THz time-domain spectroscopy of common polymers using THz air photonics //Optics express. - 2014. - ^ 22. - №. 10. -C 12475-12485.

77 Bartel T. et al. Generation of single-cycle THz trаnsiеnts with high elеctric-fiеld amplitudes //Optics Letters. - 2005. - ^ 30. - №. 20. - C 2805-2807.

78

Vieweg N. et al. Ultrabroadband terahertz spectroscopy of a liquid crystal //Optics express. - 2012. - ^ 20. - №. 27. - C 28249-28256.

79 Wu Q., Zhang X. C. Free-space еlеctro-оptic sаmpling of tеrаhertz beаms //Applied Physics Letters. - 1995. - ^ 67. - №. 24. - C 3523-3525.

80 Chen Y. H. et al. Direct measurement of the electron density of extended femtosecond laser pulse-induced filaments //Physical review letters. - 2010. - ^ 105. - №. 21. - C 215005

81 Hosoda M. et al. Femtosecond snapshot imaging of propagating light itself //Applied optics. - 2002. - ^ 41. - №. 12. - C 2308-2317.

82 Fujimoto M. et al. Femtosecond time-resоlved оpticаl pоlаrigrаphy: imaging of the propagation dynamics of intense light in a medium //Optics letters. - 1999. -^ 24. - №. 12. - C 850-852.

83 Nibbering E. T. J. et al. Dеtеrmination of the inеrtiаl contribute to the nоnlinеаr refractive index of air, N 2, and O 2 by use of unfocused high-intensity femtosecond laser pulses //JOSA B. - 1997. - ^ 14. - №. 3. - Q 650-660.

84

Jin Q. et al. Observation of broadband terahertz wave generation from liquid water //Applied Physics Letters. - 2017. - ^ 111. - №. 7. - C 071103.

85 Löffler T. et al. Terahertz dаrk-field imaging of b^rned^! tiss^ //Optics Express. - 2001. - ^ 9. - №. 12. - C 616-621.

86 Lee Y. S. Principks of terahertz science аnd technology. - Springer Science & Business Media, 2009. - ^ 170.

87 Lemos G. B. et al. Quantum imaging with undetected photons //Nature. - 2014. - T. 512. - №. 7515. - C. 409-412.

Приложение 1. Генерация терагерцового излучения одноцветным фемтосекундным филаментом в струе жидкостей

В работе [84] было зарегистрировано терагерцовое излучение, генерируемое одноцветным фемтосекундным филаметом в водяных пленках, так же в работах Х.-С. исследовались и другие жидкости, такие как спирт,

красное вино и белое вино. Было обнаружено, что интенсивность генерируемого терагерцового излучения зависит от длительности импульса накачки, и от жидкости из которой формировалась пленка.

Работа, описанная в данном приложении заключается в регистрации терагерцового излучения, генерируемого в струе различных жидкостей, струя формируется соплом толщиной 200 мкм для этого была собрана экспериментальная установка представленная на Рисунке 34.

Рисунок 34 - Экспериментальная схема терагерцового спектрометра с использованием одноцветного филамента в струе жидкости в качестве генератора терагерцового излучения.

Излучение фемтосекундного лазера (ФЛ) К^и1ш 35Б1К, с длиной волны -800 нм, частотой следования импульсов 1кГц, энергией в импульсе 2,3 мДж, длительность импульсов для проведения эксперимента была увеличена до 1) 500 фс и 2) 1500 фс., диаметром пучка (по уровню 1/е ) - 8 мм делиться на клиновидной пластинке (сд) на пробный пучок 2% и пучок накачки 98%.. Одноцветный фемтосекундный филамент формируется в струе жидкости параболическим зеркалом (ПЗ) с фокусным расстоянием 5 см. Сгенерированное одноцветным фемтосекундным филаментом в струе терагерцовое излучение «коллимируется» линзой из материала ТРХ [72] (Л), и фокусируется в электрооптический кристалл 7иТе вторым параболическим зеркалом (ПЗ) с фокусным расстоянием 10 см., толщиной 0,5 мм. Видимое излучение фильтруется пластинкой фторопласта (ф), расположенной перед ТРХ линзой.

Пробный пучок проходит через механическую линию задержки (ЛЗ). После чего попадает на полуволновую пластинку (Х/2), угол поляризации пробного пучка становиться 450 по отношению к изначальному углу, призма Глана-Тейлора (ГЛ) чистит состояние поляризации. После чего пробный пучок коллинеарно с терагерцовым излучением попадает на электро-оптический кристалл 7иТе. Регистрация терагерцового излучения происходит методом электро-оптического детектирования, представленным на Рисунке 8 в главе 2.

В первом эксперименте длительность импульсов накачки составляла 1500 фс, в качестве жидкости использовалась вода. Сопло, формирующее струю воды помещалось на микрометрическую подвижку. Регистрация терагерцовых импульсов проводилась по 5 измерениям с параллельным сдвигом струи вдоль фемтосекундного филамента, результаты представлены на Рисунке 35.

-325 мкм -150 мкм

- -75 мкм -25 мкм

- 25 мкм 75мкм

150 мкм ■325 мкм

I ■ I ■ I ■ I ■ I ■ I

-1211-10-9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0

I ПС.

Рисунок 35 - Зависимость интенсивности терагерцового излучения от положения

одноцветного филамента в струе воды.

Во втором эксперименте длительность импульсов накачки составляла 500 фс. Исследовалась зависимость интенсивности терагерцового излучения от вида жидкости, из которого состояла струя. Исследовались: дистиллированная вода Н20, тяжелая вода Б20, спирт С2Н50Н. Данные приведены на Рисунке 36.

ПС.

Рисунок 36 - Зависимость интенсивности терагерцового излучения, генерируемого в струе различных жидкостей.

Приложение 2. Экспериментальная работа по оценке зависимости интенсивности терагерцового излучения от различных участков двухцветного фемтосекундного филамента

Для определения зависимости интенсивности терагерцового излучения от вклада геренации различных участков двухцветного фемтосекундного филамента была собрана классическая экспериментальная схема терагерцового спектрометра с использованием генерации двухцветным фемтосекундным филаментом, представленная на Рисунке 30. Излучение фемтосекундного лазера (ФЛ) Яе^ш 35Б1К, с длиной волны - 800 нм, частотой следования импульсов 1кГц, энергией в импульсе 2,3 мДж, длительностью импульсов <35 фс, диаметром пучка (по уровню 1/е ) - 8 мм делиться на клиновидной пластинке (сд) на пробный пучок 2% и пучок накачки 98%., излучение накачки проходит через нелинейный кристалл -генератор второй гармоники бета борат бария (в-ВВО). Двухцветный фемтосекундный филамент формируется параболическим зеркалом (ПЗ) с фокусным расстоянием 5 см. С одной стороны фемтосекундного филамента помешается нож, закрепленный на микрометрической подвижке, перемещающей его вдоль протяженной стороны филамента. Сгенерированное двухцветным фемтосекундным филаментом терагерцовое излучением «коллимируется» линзой из материала ТРХ [85] (Л) после линзы помещается металлический экран, перерывающий половину излучения идущего от фемтосекундного филамента с противоположенной от ножа стороны. Оставшееся терагерцовое излучение фокусируется в электро-оптический кристалл 7иТе вторым параболическим зеркалом (ПЗ) с фокусным расстоянием 10 см., толщиной 0,5 мм. Видимое излучение фильтруется пластинкой фторопласта (ф), расположенной перед ТРХ линзой. Фотография размещения ножа представлена на Рисунке 31.

Рисунок 30 - Экспериментальная схема ТГц спектрометра с использованием двухцветного фемтосекундного филамента для генерации терагерцового

излучения.

Пробный пучок проходит через механическую линию задержки (ЛЗ). После чего попадает на полуволновую пластинку (Х/2), угол поляризации пробного пучка становиться 450 по отношению к изначальному углу, призма Глана-Тейлора (ГЛ) чистит состояние поляризации. После чего пробный пучок коллинеарно с терагерцовым излучением попадает на электро-оптический кристалл 7иТе. Регистрация терагерцового излучения происходит методом электро-оптического детектирования, представленным на Рисунке 8 в главе 2.

Рисунок 31 - Фотография размещения ножа на микрометрической подвижке

В эксперименте регистрировались временные формы терагерцового импульса, при различном положении ножа, нож перемещался от начала фемтосекундного филамента, соответствующего нулевому положению ножа до 15 мм, с шагом в 1 мм. Результаты представлены на Рисунке 32.

Рисунок 32 - Временные формы терагерцовых импульсов, генерируемых различными участками фемтосекундного филамента.

Так же на Рисунке 33 представлены спектры терагерцового излучения, генерируемого различными участками двухцветного фемтосекундного филамента.

1.0-1

0,8-

£ 0,6 Н

I н

о LU

0,4-

0,2-

0,4 0,6 0,8

Частота, ТГц

Рисунок 33 - Спектры терагерцовых импульсов, генерируемых различными участками фемтосекундного филамента.

Приложение 3. Структура и процесс формирования одноцветных филаментов, методом фемтосекундной поляриметрии с разрешением во

времени

Дополнительные результаты экспериментов по регистрации структуры и процесса формирования фемтосекундного филамента, методом фемтосекундной поляриметрии с разрешением во времени, описанном в главе 3.

Структура одноцветного филамента, сформированного линзой с фокусным расстоянием 15 см представлена на Рисунке 37. Множественной филаментации не наблюдается, протяженность филамента составляет 4,87 мм, отчетливо видно повторную самофокусировку и дефокусировку при формировании филамента.

0,55 мм

0 мм 0,55 мм

0 мм 0,55 мм

0 мм 0,55 мм

0 мм 0,55 мм

0 мм

Структура одноцветного филамента, сформированного линзой с фокусным расстоянием 15 см.

4,87 мм Рисунок 37 -

Структура одноцветного филамента, сформированного параболическим зеркалом с фокусным расстоянием 15 см представлена на Рисунке 38. Множественной филаментации не наблюдается, протяженность филамента составляет 2,22 мм, отчетливо видно повторную самофокусировку и дефокусировку при формировании филамента.

Рисунок 38 - Структура одноцветного филамента, сформированного параболическим зеркалом с фокусным расстоянием 15 см.

Приложение 4. Квантовый терагерцовый имаджинг

За время обучения в аспирантуре автором проводились совместные работы с сотрудниками лаборатории квантовой криптографии университета ИТМО по созданию системы квантового иманджинга описанного в работе [87], с генерацией одиночных фотонов в терагерцовом диапазоне частот. Экспериментальная схема представлена на Рисунке 39.

СД 50/50

кремнии

кремний НК

детектор

Q

счетчик совпадений

СД 50/50

fnb

детектор

видимыи — фильтр

ТГц

кремнии

Рисунок 39 - Экспериментальная схема квантового имаджинга.

На Рисунке 39 представлена экспериментальная схема квантового имаджинга, излучение лазера делится на два равных по мощности пучка на светоделителе - сд 50/50. Первый пучок попадает на нелинейный кристалл - НК, генерирующий, в результате спонтанного параметрического рассеяния, пару фотонов, длина волны одного находится в видимом, второго в терагерцовогом диапазоне частот. После чего «видимый» и «терагерцовый» фотоны разделяются на два канала, терагерцовый фотон пройдя через объект коллинеарно со вторым

пучком накачки попадает на второй, идентичный первому, нелинейный кристалл, в котором так же в результате спонтанного параметрического рассеяния генерируется пара фотонов. Вторая пара фотонов разделяется пластиной высокоомного кремния, «видимый» фотон, сгенерированный вторым кристаллом одновременной «видимым» фотоном, сгенерированным первым кристаллом попадаются на светоделитель - сд 50/50 и далее на детекторы одиночных фотонов, подключенных к счетчику совпадений. По изменению числа совпадений можно косвенным образом получить информацию об объекте в ТГц диапазоне частот.

Первым этапом работы по созданию описанной выше схема была задача собрать экспериментальную схему (Рисунок 40) для генерации пары «спутанных» фотонов при спонтанном параметрическом рассеянии. И определения зависимости эффективности генерации пар фотонов от интенсивности и состояния поляризации излучения подкачки лазерного диода.

Рисунок 40 - Экспериментальная схема по исследованию зависимости эффективности рождения «спутанных» пар фотонов от интенсивности и поляризации излучения в холостой и сигнальной моде.

Излучение непрерывного лазера, мощностью 7 мВт, длиной волны 375 нм., коллинеарно с непрерывным излучением лазерного диода - ЛД, попадает на нелинейный кристалл ЫЮ3, в котором в результате спонтанного

параметрического рассеяния рождаются пары «спутанных» фотонов на длине волны 750 нм. После чего излучение накачки отсекается интерференционными фильтрами - СФ, после чего пара разделяется на светоделителе и попадает на детекторы одиночных фотонов, подключенную к системе счета совпадений.

Результаты экспериментов приведены на рисунках 41 и 42.

Рисунок 41 - Зависимость количества совпадений от угла поворота поляризации

излучения подкачки лазерного диода.

На Рисунке 42 (а) приведена зависимость числа совпадений от мощности излучения подкачки лазерного диода. Так как излучение лазерного диода тоже регистрируется детекторами получена зависимость числа совпадений отдельно лазерного диода подкачки при изменении его мощности. И определено число совпадений при использовании отдельно лазера накачки, суммарное число совпадений представлено на Рисунке 42 (б).

а

б

0,00 0,01 0.02 0,03 0,04 0.05

Мощность, Вт

Рисунок 42 - Зависимость количества совпадений от мощности излучения подкачки лазерного диода (а), зависимость суммарного числа совпадений от мощности излучения подкачки лазерного диода (б).

Как видно из графиков представленных на Рисунке 42, количество совпадений различается при использовании лазера накачки с диодом подкачки одновременной больше, чем при суммировании значений числа совпадений отдельно. Что позволяет говорить о возможности усиления генерации с помощью излучения подкачки.

Экспериментальные данные полученные в ходе работы над диссертацией могут быть полезны для настройки описанной системы терагерцового квантового имаджинга. Терагерцовое излучения, генерируемое двухцветным филаментом, может быть использовано для юстировки экспериментальной схемы, так как регистрация фотонов в терагерцовом диапазоне частот в данный момент

невозможна. Так же, как показано выше, для работы данной схемы важно отслеживать состояние поляризации и интенсивность терагерцового излучения.