Формирование пространственно-частотной модуляции в терагерцовом импульсе при его генерации в кристалле арсенида индия

Набилкова А.О., Опарин Е.Н., Шумигай В.С., Мельник М.В., Цыпкин А.Н.

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

Ссылка для цитирования:

Набилкова А.О., Опарин Е.Н., Шумигай В.С., Мельник М.В., Цыпкин А.Н. Формирование пространственно-частотной модуляции в терагерцовом импульсе при его генерации в кристалле арсенида индия// Оптический журнал. 2022. Т. 89. № 11. С. 17–23. http://doi.org/ 10.17586/1023-5086-2022-89-11-17-23

Nabilkova A.O., Oparin E.N., Shumigai V.S., Melnik M.V., Tcypkin A.N. Formation of spatio-frequency modulation in a terahertz pulse generated in an indium arsenide crystal [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2022. V. 89. № 11. P. 17–23. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2022-89-11-17-23

Ссылка на англоязычную версию:

A. O. Nabilkova, E. N. Oparin, V. S. Shumigai, M. V. Melnik, and A. N. Tcypkin, "Formation of spatio-frequency modulation in a terahertz pulse generated in an indium arsenide crystal," Journal of Optical Technology. 89(11), 651-655 (2022). https://doi.org/10.1364/JOT.89.000651

Аннотация:

Предмет исследования. Пространственно-частотная модуляция терагерцового поля при генерации в кристалле. Цель работы. Теоретическое и экспериментальное изучение эффекта пространственно-частотной модуляции полутора- и многопериодных импульсов терагерцового спектрального диапазона. Метод. Измерение методом спектроскопии с разрешением во времени пространственного распределения спектра терагерцового поля. Моделирование процесса распространения излучения в воздухе полутора- и многопериодных импульсов с использованием метода углового спектра. Основные результаты. Теоретически и экспериментально продемонстрированы особенности пространственной локализации широкополосного терагерцового излучения в ходе его генерации. Выявлена характерная для малопериодных импульсов пространственночастотная модуляция, заключающаяся в распространении высоких частот ближе к оси пучка, а низких — дальше от нее. Данный эффект наблюдается только для импульсов из малого числа колебаний поля. Распространение же многопериодных импульсов не сопровождается подобной модуляцией. Практическая значимость. Учет данного эффекта необходим в ходе проведения экспериментов, чувствительных к пространственному распределению поля терагерцового излучения. К таким приложениям можно отнести терагерцовую визуализацию, терагерцовую голографию, а также разработку коммерческих и лабораторных источников терагерцового излучения.

Ключевые слова:

терагерцовое излучение, генерация терагерцового излучения, фотоэффект Дембера, дифракция излучения, пространственно-частотная модуляция

Благодарность:

Работа выполнена при финансовой поддержке РНФ в рамках гранта МНК-NSFC (2022).

Коды OCIS: 050.1590, 040.2235

Список источников:

1. Glagolewa-Arkadiewa A. Short electromagnetic waves of wavelength up to 82 microns // Nature. 1924. V. 113. № 2844. P. 640. DOI: 10.1038/113640a0
2. Zhang X.C., Shkurinov A., Zhang Y. Extreme terahertz science // Nature Photonics. 2017. V. 11. № 1. P. 16–18. DOI: 10.1038/nphoton.2016.249
3. Kozlov S.A., Drozdov A.A., Choudhary S., Kniazev M.A., Boyd R.W. Suppression of self-focusing for fewcycle pulses // JOSA B. 2019. V. 36. № 10. P. G68–G77. DOI: 10.1364/josab.36.000g68
4. Novelli F., Ruiz Pestana L., Bennett K.C., Sebastiani F., Adams E.M., Stavrias N., Ockelmann T., Colchero A., Hoberg C., Schwaab G., Head-Gordon T., Havenith M. Strong anisotropy in liquid water upon librational excitation using terahertz laser fields // J. Phys. Chem. B. 2020. V. 124. № 24. P. 4989–5001. DOI: 10.1021/acs.jpcb.0c02448
5. Tcypkin A., Zhukova M., Melnik M., Vorontsova I., Kulya M., Putilin S., Kozlov S., Choudhary S., Boyd R.W. Giant third-order nonlinear response of liquids at terahertz frequencies // Phys. Rev. Appl. 2021. V. 15. № 5. P. 54009–54016. DOI: 10.1103/PhysRevApplied.15.054009
6. Liu X., Melnik M., Zhukova M., Oparin E., Rodrigues J.J.P.C., Tcypkin A., Kozlov S. Formation of gigahertz pulse train by chirped terahertz pulses interference // Scientific Reports. 2020. V. 10. № 1. P. 9463. DOI: 10.1038/s41598-020-66437-4
7. Schwaab G., Sebastiani F., Havenith M. Ion hydration and ion pairing as probed by THz spectroscopy // Angewandte Chemie — International Edition. 2019. V. 58. № 10. P. 1–37. DOI: 10.1002/anie.201805261
8. Valušis G., Lisauskas A., Yuan H., Knap W., Roskos H.G. Roadmap of terahertz imaging 2021 // Sensors. 2021. V. 21. № 12. P. 4092. DOI: 10.3390/s21124092
9. Rønne C., Thrane L., Åstrand P.O., Wallqvist A., Mikkelsen K. V., Keiding S.R. Investigation of the temperature dependence of dielectric relaxation in liquid water by THz reflection spectroscopy and molecular dynamics simulation // J. Chem. Phys. 1997. V. 107. № 14. P. 5319–5331. DOI: 10.1063/1.474242

10. Rasekh P., Saliminabi M., Yildirim M., Boyd R.W., Ménard J.-M., Dolgaleva K. Propagation of broadband THz pulses: Effects of dispersion, diffraction and time-varying nonlinear refraction // Opt. Exp. 2020. V. 28. № 3. P. 3237–3248. DOI: 10.1364/oe.381150
11. Xu Y., Fang X., Fan S., Zhang L., Yan R., Chen X. Double Gaussian mixture model-based terahertz wave dispersion compensation method using convex optimization technique // Mechanical Systems and Signal Proc. 2022. V. 164. P. 108223. DOI: 10.1016/j.ymssp.2021.108223
12. Nahata A., Heinz T.F. Reshaping of freely propagating terahertz pulses by diffraction // IEEE J. Selected Topics in Quantum Electronics. 1996. V. 2. № 3. P. 701–708. DOI: 10.1109/2944.571770
13. Bromage J., Radic S., Agrawal G.P., Stroud C.R., Fauchet P.M., Sobolewski R. Spatiotemporal shaping of terahertz pulses // Optics and Photonics News. 1997. V. 8. № 12. P. 47–48. DOI: 10.1364/opn.8.12.000047
14. Hine G.A., Doleans M. Intrinsic spatial chirp of subcycle terahertz pulsed beams // Phys. Rev. A. 2021. V. 104. № 3. P. 032229. DOI: 10.1103/PhysRevA.104.032229
15. Keller U. Linear pulse propagation. In: Ultrafast Lasers. Springer Nature Switzerland AG. Part of Springer Nature. 2021. DOI: 10.1007/978-3-030-82532-4_2
16. Nevinskas I., Vizbaras K., Trinkūnas A., Butkutė R., Krotkus A. Terahertz pulse generation from (111)-cut InSb and InAs crystals when illuminated by 155-μm femtosecond laser pulses // Opt. Lett. 2017. V. 42. № 13. P. 2615–2618. DOI: 10.1364/ol.42.002615