CC BY
8ОПТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ И УСТРОЙСТВА
OPTICAL PHENOMENA AND FACILITIES
Статья поступила в редакцию 15.01.14. Ред. рег. № 1916 УДК 621.373.424
The article has entered in publishing office 15.01.14. Ed. reg. No. 1916
LiNbO3 КЛИНООБРАЗНАЯ T^ АНТЕННА А.С. Никогосян
Ереванский Государственный университет Республика Армения, 0025, Ереван, ул. Алека Манукяна, д. 1 Тел.: (37410) 53-74-79, факс: (37410) 55-46-41, e-mail: nika@ysu.am.
Заключение совета рецензентов 22.01.14 Заключение совета экспертов 30.01.14 Принято к публикации 06.02.14
Представлены результаты генерации ультракоротких электрических импульсов с широкополосным спектром в интервале частот от 0.1 до 1.5 ТГц посредством оптического выпрямления фемтосекундных лазерных импульсов в нелинейном клинообразном кристалле. Для численного моделирования и симуляции распространения ТГц волны в клинообразной LiNbO3 антенне применен метод конечных элементов. Полученные данные использованы для анализа экспериментальных результатов. Исследовано влияние формы кристалла на распространение ТГц излучения в кристалле и вне его в ближне-полевой зоне.
Ключевые слова: оптическое выпрямление; фемтосекундный лазер; терагерцовое излучение; ТГц LiNbO3 клинообразная антенна, метод конечных элементов.
LiNbO3 WEDGE THz ANTENNA A.S. Nikoghosyan
Yerevan State University
Manukyan str. 1А, Yerevan, 0025, Armenia Tel.: (37410) 53-74-79, fax: (37410) 55-46-41, e-mail: nika@ysu.am.
Referred 22.01.14 Expertise 30.01.14 Accepted 06.02.14
The articles present results of the generation of THz pulse in 0.1-1.5 THz band via optical rectification of femtosecond laser pulses in a wedge nonlinear crystal. The finite-element method was employed to model and simulate the THz wave propagation in a LiNbO3 wedge antenna in order to analyze experimental results and to visualize how the form of the crystal influences the THz radiation both inside and outside the crystal in the near-field zone.
Keywords: оptical rectification; femtosecond laser; terahertz radiation; THz LiNbO3 wedge antenna; finite-element method
Введение и история вопроса
Во многих ближне-полевых микроволновых визуализирующих системах в качестве зондов используются острые металлические стержни или прямоугольные волноводы. Пространственное разрешение изображений обратно пропорционально сечению волновода [1]. В случае прямоугольной LiNbO3 нелинейно-кристаллической ТГц антенны, управляемой лазером [2,3], около 46% терагерцового излучения отражается от выходной поверхности кристалла из-за его высокого коэффициента отражения. Для концентрации ТГц поля, а также для вывода шчти всей энергии из кристалла, использовался кристалл с выходной гранью, сужающийся до точки [4,5]. Благодаря уменьшению
поперечного сечения кристалла может быть достигнуто высокое разрешение изображения без изменения рабочей частоты.
Метод конечных элементов был применен для моделирования и симуляции распространения ТГц волны в LiNbO3 клинообразной антенне с целью анализа результатов эксперимента и визуализации того, как форма кристалла влияет на распределение ТГц поля внутри и вне кристалла в ближне-полевой зоне. Автору не известны сообщения о результатах симуляции или эксперимента с широкополосной LiNbO3 клинообразной антенной.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 2 (142) 2014
© Scientific Technical Centre «TATA», 2014
Результаты
ТГц импульсы генерировались посредством оптического выпрямления фемтосекундных импульсов Т1:сапфирового лазера, с длиной волны X = 800 нм, в клинообразном нелинейно-оптическом кристалле Ы№О3, рис.1. Векторы напряженности оптического поля Е и нелинейной поляризации Р, а также оптическая ось кристалла были параллельны высоте клинообразного кристалла [6]. Линейно поляризованное ТГц излучение генерировалось благодаря наибольшей компоненте тензора нелинейной восприимчивости второго порядка рис.1 (а). Исследовалось распространение ТГц волн с частотами, равными наиболее интенсивным спектральным линиям в спектре ТГц импульса (т.е. при: 307 ГГц, 414 ГГц, 499 ГГц, 802 ГГц и 1016 ГГц, см. рис. 2 (б)).
ч
(D
И
е
о «
00 S О
t
<D
ч о а я
1-4
н
Время (пс)
Для моделирования распространения ТГц волн в клиновидном кристалле LiNbO3, помещенном в свободное пространство, использовалась программа «COMSOL MuШphysics». Для корректного решения системы уравнений, которая описывает распределение поля ТГц волны, наибольшая величина ячейки не должна быть больше чем одна пятая длины волны. В нашем случае величина ячейки равна 50 мкм. В программу были введены следующие величины: действительная и мнимая части диэлектрической проницаемости, мощность ТГц необыкновенной волны. Действительная и мнимая части диэлектрической проницаемости равны соответственно 27,96 и 0,1 на частоте 307 ГГц. Эти значения, рассчитанные по формуле, приведенной в [2], были введены в программу. Поперечное сечение кристалла П№О3 было 0,27 х 1 мм2. Распределение Ех компонента ТГц электрического поля на частоте 0,307 ТГц, распространяющегося вдоль оси 2, и
Рис. 1. Управляемая лазером LiNb03 клинообразная ТГц (0.1 ТГц-^ 1 ТГц) широкополосная антенна
Fig. 1. Laser-driven LiNb03 wedge THz broadband (0.1 -r-1 THz) antenna.
ч е
и
e
о «
00 S О
&
е п с я
l-ч
H
Частота (ТГц)
Рис.2. Временная зависимость ТГц поля (a) и ее спектр (б), когда кристалл LiNbO3 расположен в свободном пространстве.
Fig.2. Time dependence of the THz field (a) and its spectrum(b) when the LiNbO3 crystal is placed in free space
пространственное распределение ТГц поля в 18 плоскостях внутри и за пределами клинообразной антенны показаны на рис. 3 (а, б, в).
Вычисляя толщину кристалла из дисперсионного трансцендентного уравнения [6], можно определить величину эффективного показателя преломления ТГц волны, при котором обеспечивается выполнение условия фазового синхронизма в коллинеарной конфигурации для оптических и ТГц волн. Толщина пластины LiNbO3 однозначно определяет условие фазового синхронизма.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 2 (142) 2014 © Научно-технический центр «TATA», 2014
Оптические явления и устройства
(a)
(б)
(в)
Мин:-1.202
Макс: 0.917
Рис.3. Распределение Ex компонента волны ТГц электрического поля с частотой 307 ГГц при распространении вдоль оси: а - вид сверху в плоскости (yz); б - вид сбоку в плоскости (xz); в - пространственное распределение ТГц поля в 18 плоскостях LiNbO3 волновода.
Fig.3. The distribution of THz electric field Ex component with 307 GHz frequency propagating along the z axis: a - vertical view in (yz) plane; b - lateral view in (xz) plane; c - spatial distribution of the THz field in 18 planes of the LiNbO3 waveguide.
Вывод
Метод конечных элементов использован для моделирования и имитации распространения ТГц волны в клинообразной и прямоугольной антеннах с целью анализа результатов эксперимента.
Кристалл с клинообразной выходной гранью обеспечивает широкополосное согласование характеристических сопротивлений кристалла и свободного пространства. Это приводит к выводу большей интенсивности ТГц излучения из кристалла по сравнению с его прямоугольной формой, рис 4.
(a)
(б)
Рис.4. Распределение Ex компонента волны ТГц электрического поля с частотой 270 ГГц при распространении вдоль оси z [7]: а - вид сбоку в плоскости (xz); б - вид сверху в плоскости (yz), (в) - пространственное распределение ТГц поля в 11 плоскостях LiNbO3 волновода. В поперечных сечениях, распределения полей симметричны относительно центра пластины (z = 2 мм), а также относительно осей Х, У, Z.
Fig.4. Distribution of the THz electric field Ex component during propagation along the z axis with frequency of 270 GHz [7]: a- lateral view in (xz) plane; b - vertical view in (yz), (c) spatial distribution of THz field in 11 cross-sections of the LiNbO3 waveguide. In the cross-sections, distributions of fields are symmetric relative to the center of the plate (z = 2 mm), as well as relative to the Х, У, Z axis.
По мере того, как длина клина увеличивается и поперечный размер луча уменьшается, диаграмма направленности становится острее, а относительное усиление антенны увеличивается.
Полная энергия ТГц излучения, распространяющаяся вдоль прямой линии, параллельной оси Z клинообразного кристалла, состоит как из внешнего (за пределами пластины), так и внутреннего поля (рис. 3 (б, в)). Такой способ
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 2 (142) 2014
© Scientific Technical Centre «TATA», 201 4
передачи полного поля позволяет эффективно генерировать терагерцовое излучение в нелинейно-оптическом кристаллическом волноводе, если для заданных оптических и терагерцовых частот выполняется условие коллинеарного фазового синхронизма. Однако обеспечить условие фазового синхронизма возможно также для терагерцовых волн на других частотах выбором соответствующего отношения а/b (а - толщина, б - высота кристалла). Условие фазового синхронизма на высоких частотах достигается при меньшей толщине кристалла, чем на низких. Отношение высоты диэлектрического LiNbO3 волновода к его толщине b/а влияет на величину потерь при распространении ТГц волны: для больших отношений b/a потери распространения меньше. Влияние дифракции на распространение терагерцовых волны в волноводе зависит от размера и формы поперечного сечения кристалла.
Достоинством возбуждения ТГц излучения в LiNbO3 клинообразном волноводе с помощью оптического лазерного импульса является
у Список литературы
- G -
1. Zouglii R. Microwave nondestructive testing: Theories and applications // Proc. IEEE International Advances in Nondestructive Testing (IANDT). New York: Gordon and Breach, 1990. Vol. 15. P. 255-288.
2. Zinovcv N.N., Nikoghosyan A.S., Chamberlain J.M. Terahertz Radiation from a Nonlinear Slab
о
Traversed by an Optical Pulse // Physical Review Letters. 2007. Vol. 98. P. 044801-1 044801-4.
3. Zinov cv N.N., Nikoghosyan A.S., Dudley R.A., Chamberlain J.M. Conversion of Short Optical Pulses to Terahertz Radiation in a Nonlinear medium: Experiment and Theory // Physical Review B. 2007. Vol. 76. P. 235114-1 V 235114-16.
4. Nikoghosyan A.S. USP Generation in the Millimeter and Centimeter Band in a Waveguide Partially Filled with a Nonlinear Crystal. // Quant. Electronika. 1988. Vol.15, N5. P. 969-971.
5. Nikoghosyan A.S. Laser Driven Terahertz Dielectric Wedge Antenna Placed in Free Space or in Hollow Metallic Waveguide. // Inter. Conf. IRMMW-THz 2010 at Rome, Italy, September 5-10, 2010, Tu-P.54-55.
6. Nikoghosyan A.S., Martirosyan P.M., Hakhoumian A.A, Chamberlain J.M., Dudley R.A., Zinovev N.N. Generation of THz Radiation in Waveguides Partially Loaded with Nonlinear Crystal // Int. J. Electromagnetic Waves and Electronic System.2006. Vol. 11. № 4. P. 4755.
7. Никогосян А.С. Терагерцовый LiNbO3 волновод // Альтернативная энергетика и экология - ISJAEE. 2013. № 9. C. 46-51.
возможность решения проблемы, относящейся к связи вход/выход (согласование мод и распространение моды основного типа).
Результаты моделирования демонстрируют возможнось фокусировки пространственной протяженности терагерцового поля, обеспечение распространения основной моды для использования клинообразной антенны в различных перспективных применениях, например, в терагерцовой микроскопии и диагностических исследованиях с визуализацией. Любые нелинейно-оптические кристаллы с высокой нелинейной восприимчивостью второго порядка, имеющие низкий коэффициент поглощения и слабую дисперсию, также могут быть использованы в качестве волновода или антенны для ультраскоростных электронных интегральных схем.
References
1. Zoughi R. Microwave nondestructive testing: Theories and applications // Proc. IEEE International Advances in Nondestructive Testing (IANDT). New York: Gordon and Breach, 1990. Vol. 15. P. 255-288.
2. Zinovev N.N., Nikoghosyan A.S., Chamberlain J.M. Terahertz Radiation from a Nonlinear Slab Traversed by an Optical Pulse // Physical Review Letters. 2007. Vol. 98. P. 044801-1 044801-4.
3. Zinovev N.N., Nikoghosyan A.S., Dudley R.A., Chamberlain J.M. Conversion of Short Optical Pulses to Terahertz Radiation in a Nonlinear medium: Experiment and Theory // Physical Review B. 2007. Vol. 76. P. 235114-1 4- 235114-16.
4. Nikoghosyan A.S. USP Generation in the Millimeter and Centimeter Band in a Waveguide Partially Filled with a Nonlinear Crystal. // Quant. Electronika. 1988. Vol.15, N5. P. 969-971
5. Nikoghosyan A.S. Laser Driven Terahertz Dielectric Wedge Antenna Placed in Free Space or in Hollow Metallic Waveguide.// Inter. Conf. IRMMW-THz 2010 at Rome, Italy, September 5-10, 2010, Tu-P.54-55.
6. Nikoghosyan A.S., Martirosyan P.M., Hakhoumian A.A, Chamberlain J.M., Dudley R.A., Zinovev N.N. Generation of THz Radiation in Waveguides Partially Loaded with Nonlinear Crystal // Int. J. Electromagnetic Waves and Electronic System.2006. Vol. 11. № 4. P. 4755.
7. Nikogosan A.S. Teragercovyj LiNbO3 volnovod // Altemativnaa energetika i ekologia - ISJAEE. 2013. № 9. C. 46-51.
Транслитерация по ISO 9:1995
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 2 (142) 2014 © Научно-технический центр «TATA», 2014
