Cristal não linear orgânico revestido com filme fino óptico para geração eficiente de ondas terahertz

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 15082 (2022) Citar este artigo

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No processo de geração de ondas terahertz (THz) via retificação óptica de pulsos de femtossegundos infravermelhos em um cristal óptico não linear, a potência da onda terahertz é diretamente proporcional ao quadrado da potência da bomba óptica. Portanto, ondas de terahertz de alta potência podem ser geradas usando um laser de femtosegundo de alta potência, desde que o cristal tenha um alto limiar de dano induzido por laser e um coeficiente óptico não linear. No entanto, uma quantidade significativa de energia da bomba é perdida neste processo devido à reflexão de Fresnel no limite do ar-cristal. Neste artigo, demonstramos numericamente e experimentalmente que o revestimento de filme fino óptico chamado Cytop no cristal tosilato de 4-N, N-dimetilamino-4'-N'-metil-estilbazólio (DAST) reduz efetivamente a perda de reflexão da potência da bomba , aumentando assim a eficiência de emissão de onda THz do cristal DAST. Descobrimos que a potência média da onda THz emitida pelo cristal revestido de filme fino é cerca de 28% maior do que a potência THz emitida pelo cristal não revestido quando uma quantidade igual de potência do laser é usada. Os cristais DAST revestidos com película fina podem ser usados ​​não apenas em sistemas de medição terahertz, mas também em dispositivos ópticos, como moduladores e guias de 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, geração de frequência de diferença12 e processos paramétricos ópticos13. Particularmente, a retificação óptica de pulsos de laser de femtosegundo (fs) em cristais ópticos não lineares tem atraído atenção especial devido à sua capacidade de emitir ondas THz de alta potência e banda larga.

Cristais inorgânicos e orgânicos têm sido usados ​​para geração de ondas THz via retificação óptica. Por exemplo, o Niobato de Lítio é um conhecido cristal óptico não linear inorgânico que pode produzir ondas THz de alta potência14,15. Da mesma forma, telureto de zinco16,17,18, fosfeto de gálio19 e arseneto de gálio20 também têm sido amplamente utilizados para emitir ondas THz de banda larga. No entanto, esses cristais têm limitações como baixa eficiência de conversão devido aos seus coeficientes não lineares moderados e maior complexidade do sistema, como no caso da geração de ondas THz usando cristal de niobato de lítio via frente inclinada de pulsos de laser21. Em comparação com esses cristais inorgânicos, os cristais orgânicos como DAST, HMQ-TMS, DSTMS, OH1 e BNA provaram ser excelentes fontes de THz devido às suas características, como alta eficiência de conversão óptica para THz devido ao alto coeficiente óptico não linear, baixo absorção de onda terahertz e sistema de medição relativamente simples devido à geometria de correspondência de fase colinear22,23,24,25,26. Entre esses cristais orgânicos, o DAST é um dos cristais orgânicos amplamente utilizados para a geração de ondas THz devido ao seu alto coeficiente óptico não linear (d11 = 290 ± 55 pm/V em λ = 1,5 μm), baixa onda óptica e terahertz absorção e alto limiar de dano induzido por laser27,28,29. Além disso, esse cristal pode ser bombeado por um laser de fibra de telecomunicações bem estabelecido e amplamente disponível com um comprimento de onda de 1,5 μm30,31.