Cristallo non lineare organico rivestito con film sottile ottico per un'efficiente generazione di onde terahertz

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 15082 (2022) Citare questo articolo

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Nel processo di generazione di onde terahertz (THz) tramite rettifica ottica di impulsi a femtosecondi infrarossi in un cristallo ottico non lineare, la potenza dell'onda terahertz è direttamente proporzionale al quadrato della potenza della pompa ottica. Pertanto, un'onda terahertz ad alta potenza può essere generata utilizzando un laser a femtosecondi ad alta potenza a condizione che il cristallo abbia sia un'elevata soglia di danno indotto dal laser che un coefficiente ottico non lineare. Tuttavia, una quantità significativa di potenza della pompa viene persa in questo processo a causa della riflessione del Fresnel al confine del cristallo d'aria. In questo articolo, dimostriamo numericamente e sperimentalmente che lo strato di film sottile ottico chiamato Cytop sul cristallo 4-N, N-dimetilammino-4'-N'-metil-stilbazolio tosilato (DAST) riduce efficacemente la perdita di riflessione della potenza della pompa , aumentando così l'efficienza di emissione delle onde THz del cristallo DAST. Abbiamo scoperto che la potenza media dell’onda THz emessa dal cristallo rivestito con film sottile è circa il 28% superiore alla potenza THz emessa dal cristallo non rivestito quando viene utilizzata la stessa quantità di potenza laser. I cristalli DAST rivestiti con film sottile possono essere utilizzati non solo nei sistemi di misurazione terahertz ma anche in dispositivi ottici come modulatori e guide d'onda.

The applications of terahertz (THz) wave have been expanding at an enormous speed in various fields such as biomedical engineering, non-destructive testing, high speed communication and ultrafast spectroscopy1,2,3,4. In these applications, it is important to use a highly efficient terahertz wave source to improve the performance of the measurement system. Various sources such as photoconductive antenna5, non-linear optical crystals6, quantum cascade lasers7 have been developed to emit terahertz wave. Moreover, other sources based on laser plasma interaction8, terahertz spintronics9 and terahertz superconductors10 are also being investigated. Among them, nonlinear optical crystals are very promising for broadband THz wave generation via optical rectification zinc-blende crystals. App. Phys. Lett. 64, 1324–1326 (1994)." href="/articles/s41598-022-17893-7#ref-CR11" id="ref-link-section-d65119338e574"> 11, generazione di frequenze differenziali12 e processi parametrici ottici13. In particolare, la rettifica ottica degli impulsi laser a femtosecondi (fs) nei cristalli ottici non lineari ha attirato particolare attenzione grazie alla sua capacità di emettere onde THz a banda larga e ad alta potenza.

Sia i cristalli inorganici che quelli organici sono stati utilizzati per la generazione di onde THz tramite rettifica ottica. Ad esempio, il niobato di litio è un noto cristallo ottico inorganico non lineare in grado di produrre onde THz ad alta potenza14,15. Allo stesso modo, anche il tellururo di zinco16,17,18, il fosfuro di gallio19 e l’arseniuro di gallio20 sono stati ampiamente utilizzati per emettere onde THz a banda larga. Tuttavia, questi cristalli presentano limitazioni come una bassa efficienza di conversione dovuta ai loro coefficienti non lineari moderati e alla maggiore complessità del sistema, come nel caso della generazione di onde THz utilizzando cristalli di niobato di litio tramite il fronte inclinato degli impulsi laser21. Rispetto a questi cristalli inorganici, cristalli organici come DAST, HMQ-TMS, DSTMS, OH1 e BNA hanno dimostrato di essere un'eccellente sorgente THz grazie alle loro caratteristiche come l'elevata efficienza di conversione da ottico a THz dovuta all'elevato coefficiente ottico non lineare, basso assorbimento delle onde terahertz e sistema di misurazione relativamente semplice grazie alla geometria collineare di corrispondenza di fase22,23,24,25,26. Tra questi cristalli organici, DAST è uno dei cristalli organici ampiamente utilizzati per la generazione di onde THz a causa del suo elevato coefficiente ottico non lineare (d11 = 290 ± 55 pm/V a λ = 1,5 μm), basso coefficiente ottico e onda terahertz assorbimento e soglia danneggiata elevata indotta dal laser27,28,29. Inoltre, questo cristallo può essere pompato da un laser a fibra per telecomunicazioni ben consolidato e ampiamente disponibile con una lunghezza d'onda di 1,5 μm30,31.