Диссертация (Роль проводимости и нелинейной поляризации среды в ориентации главной оси эллипса поляризации терагерцового излучения, образующегося при самовоздействии и взаимодействии фемтосекундных импульсов)

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В. ЛОМОНОСОВАИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ЛАЗЕРНЫХ И ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ(ИПЛИТ РАН)На правах рукописиЕсаулков Михаил НиколаевичРоль проводимости и нелинейной поляризации среды вориентации главной оси эллипса поляризациитерагерцового излучения, образующегося присамовоздействии и взаимодействии фемтосекундныхимпульсов в газах и проводящих плёнкахСпециальность 01.04.21 – Лазерная физикаДИССЕРТАЦИЯна соискание ученой степеникандидата физико-математических наукНаучный руководительд. ф.-м.

н., профессорВ. А. МакаровНаучный руководительд. ф.-м. н., профессорА. П. ШкуриновМосква – 20162Оглавление. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4Общая характеристика работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4ВведениеГлава 1.Генерация ТГц излучения в газоплазменных средах и его поляри­. . . . .

. . . . . . . . . .151.1.Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .151.2.Нелинейный отклик свободных электронов: двухступенчатая модель гене­зация в рамках простых теоретических моделейрации ТГц излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .1.3.20Начальный импульс фотоэлектронов в рамках метода мнимого времени(ММВ) в туннельном и многофотонном приближении . . . . . . . . . . . . .291.4.ТГц излучение в дальней зоне . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .331.5.Нелинейная поляризация нейтральных молекул среды . . . . . . . . . . . .351.6.Выводы по главе 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38Глава 2.Терагерцовый спектрометр-поляриметр с независимым управле­нием пучками первой и второй гармоники лазерного излучения . . . . .402.1.Введение . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .402.2.Оптическая схема терагерцового спектрометра-поляриметра с разделенны­ми пучками первой и второй гармоники . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .442.3.Стабилизация разности длин оптических плеч первой и второй гармоники .462.4.Регистрация терагерцового и оптического излучения . . . . . . . . . . . .

.512.5.Интерферометр Майкельсона для изучения спектральных характеристикТГц излучения2.6.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .55Выводы по главе 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .57Глава 3.Экспериментальные исследования поляризационных и спектраль­ных свойств ТГц излучения . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .583.1.Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .583.2.Специфика понятия поляризации для импульсного ТГц излучения . . . . .623.3.Поляризация ТГц излучения . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .633.4.Спектр терагерцового излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8133.5.3.6.Другие нелинейно-оптические процессы третьего порядка в плазме оптиче­ского пробоя среды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .86Выводы по главе 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . .95Глава 4.Пространственный профиль интенсивности и поляризации ТГцизлучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .984.1.Введение . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .984.2.Визуализация пространственной структуры ТГц излучения при помощиматрицы микроболометров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4.3.99Определение пространственного профиля интенсивности и поляризации ТГцизлучения при использовании детектирования с временным разрешением ипри помощи ячейки Голея . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1034.4.Выводы по главе 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108Глава 5.Генерация ТГц излучения в плёнках диоксида ванадия . . . . . . 1095.1.Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1095.2.Экспериментальная установка и образцы . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . 1115.3.Экспериментальные результаты и обсуждение . . . . . . . . . . . . . . . . . 1155.4.Выводы по главе 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124Заключение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . 126Благодарности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128Список литературы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1304ВведениеОбщая характеристика работыАктуальность темы Под терагерцовым (ТГц) диапазоном частот традиционно по­нимается частотный интервал 0.3 - 10 ТГц, лежащий между дальним инфракрасным диа­пазоном и микроволновым излучением.

В терагерцовой области частот находятся, в част­ности, колебания крупных частей органических молекул, фононные моды многих кри­сталлических веществ, вращательные переходы молекул газов. Терагерцовое излучениешироко используется в системах обнаружения скрытых взрывчатых веществ, неразруша­ющего контроля фармацевтических препаратов, в перпективных системах беспроводнойсвязи, а также, благодаря низкой энергии кванта и способности проникать на небольшуюглубину в биологические ткани, применяется для диагностики заболеваний кожи, в томчисле онкологических.

Особенность терагерцового диапазона заключается в том, что онлежит на границе областей применимости и электроники (время пробега носителей зарядав этом диапазоне становится сравнимым с периодом колебания поля), и оптики (энергиякванта излучения в данном диапазоне существенно меньше энергии теплового движенияпри комнатной температуре).

Поэтому до сих пор существует недостаток компактных и де­шевых источников терагерцового излучения, сочетающих высокую спектральную яркостьи способность перестраиваться в достаточно широких пределах.В течение долгого времени развивались лишь источники непрерывного неперестраи­ваемого (или перестраиваемого в узком диапазоне частот) излучения в ТГц диапазоне припомощи таких устройств, как диоды Ганна [1], гиротроны [2, 3], лампы обратной волны[4, 5], клистроны и оротроны [6], лазеры на свободных электронах [7, 8], газовые лазеры навращательных переходах [9, 10].

С недавнего времени в этот ряд добавились также кван­тово-каскадные лазеры - компактные источники мощного ТГц излучения, работающие,как правило, при криогенных температурах [11, 12]. Упомянутые генераторы терагерцо­вого излучения можно условно разделить на “электронные” и “нелинейно-оптические”, взависимости от физических принципов, лежащих в их основе.Другой подход к генерации терагерцового излучения основан на преобразовании им­пульсного излучения лазеров видимого и инфракрасного диапазона в терагерцовые им­пульсы.

Физические механизмы, определяющие генерацию ТГц излучения в таких источ­никах, также можно разделить условно на “электронные”, в которых фигурирует движе­5ние свободных носителей заряда и нелинейные свойства проводимости среды, и”оптические”,в которых наибольшую роль играет отклик связанных электронов, приводящий к нелиней­ной поляризации среды.

Первые экспериментальные работы по таким генераторам появи­лись в середине 1970ых годов как у советских [13, 14], так и зарубежных исследователей[15], а бурное их развитие началось в 1980х годах, сразу после появления коммерческидоступных фемтосекундных оптических систем. При взаимодействии сверхкоротких ла­зерных импульсов с нелинейными средами возможна генерация импульсного излученияв низкочастотном (в том числе терагерцовом) диапазоне частот по механизму оптическо­го выпрямления [16, 17]. Среди наиболее широко используемых кристаллических сред, вкоторых осуществляется оптическое выпямление фемтосекундных импульсов, можно пе­речислить нецентросимметричные нелинейные кристаллы ZnTe [18], GaAs [19], GaSe [20],CdTe [21], LiNbO3 [22].

Другим классом источников, преобразующих импульсное лазерноеизлучение в терагерцовое, являются генераторы, использующие нелинейные свойства фо­топроводимости полупроводников. Лазерный импульс вызывает разделение зарядов вбли­зи поверхности полупроводника. Дальнейшее движение носителей заряда до их реком­бинации определяется внешним электростатическим [23, 24] или магнитным [25] полем,приложенным к генератору, либо собственным приповерхностным полем полупроводника[26, 27], либо разницей в коэффициентах диффузии электронов и дырок в приповерхност­ном слое (так называемый эффект Дембера [28]).Наибольшие КПД преобразования оптической энергии в ТГц излучение были до­стигнуты при генерации по механизму оптического выпрямления в кристаллах ниобаталития при использовании специально созданной структуры для вывода ТГц излученияиз кристалла [29, 30].

Техника генерации ТГц излучения, использующая свойства фото­проводимости полупроводников, успешно развивается до сих пор и привела к созданиюкоммерчески доступных высокоэффективных фотопроводящих антенн, позволяющих ра­ботать в диапазоне от 0.1 до примерно 5 ТГц. Однако основными недостатками кристал­лических сред для генерации импульсного ТГц излучения являются сильная дисперсия ипоглощение в терагерцовом диапазоне, ограничивающие ширину спектра генерации. Этообъясняется наличием фононных линий на частотах в несколько терагерц.Появление мощных фемтосекундных лазерных систем, имеющих импульсы с энер­гией от десятых долей миллиджоуля и выше, стимулировало разработку еще одного ти­па генераторов импульсного ТГц излучения - плазмы оптического пробоя газовых сред.6Теоретические основы описания нелинейных процессов, приводящих в конечном итоге кгенерации ТГц излучения, были заложены более 50 лет назад в работах Гинзбурга [31]и Аскарьяна [32], [33], Прохорова и Пашинина [34], Бломбергена и Шена [35, 36].