THz-Erzeugung durch Cherenkov-Strahlung

Wir verwenden verschiedene Kristall-Geometrien, um mittels Femtosekunden (fs)-Laserpulsen Terahertz (THz)-Strahlung durch Differenzfrequenzerzeugung in Lithium Niobat zu erzeugen. Dabei finden sowohl bulk (massives), also auch Domänen-invertierte Kristalle (engl.: periodically poled lithium niobate, PPLN) Verwendung. In PPLN wird von jeder einzelnen Domäne eine THz-Halbwelle emittiert, welche sich mit der Folgenden phasenrichtig zu einem Pulszug addiert [1].

Im Falle von bulk Lithium Niobat interferieren die Punktquellen der Differenzfrequenz konstruktiv zu einer Phasenfront, die sich kegelförmig ausbreitet (Cherenkov-Konus). Dies stellt das elektromagnetische Analogon zum Mach'schen Kegel dar. Die Brechungindices in Lithium Niobat für den THz-Bereich (n_THz = 5.2) und für die Laserquelle im nahen Infrarot (N_NIR = 2.3) legen den Winkel des Cherenkov-Konus fest [2,3]:

Diese Phasenfront trifft die Oberfläche des Kristalls somit unter einem Winkel von 25°, welcher größer als der Winkel der Totalreflexion an der Grenzschicht Lithium Niobat zu Luft ist. Um diese interne Totalreflexion zu vermeiden, schneidet man den Kristall unter einem Winkel, so daß die Phasenfront die Oberfläche normal trifft.

Ein Nachteil von Lithium Niobat ist der hohe Absorptionskoeffizient im THz-Bereich, insbesondere bei höheren Frequenzen. Durch den schrägen Kristallschnitt ist die Propagationslänge im Kristall groß. Deshalb bietet es sich an, die THz-Strahlung direkt unter der Oberfläche zu erzeugen [4,5]. Mittels eines Silizium Prismas, welches unter den entsprechenden Winkeln geschnitten ist, wird der Brechungsindex-Sprung zu Luft reduziert, und die Ausbreitungslänge im Kristall erheblich reduziert.

Um die Konversionseffizienz des Prozesses in THz-Strahlung weiter zu erhöhen, wurde ein Überhöhungsresonator für die Femtosekundenqelle aufgebaut. Ein aktiv stabilisierter Regelkreis hält den synchron gepumpten Ring-Resonator auf Bruchteile einer Wellenlänge (besser 100 nm über Stunden) stabil [6,7,8,9]. Somit wird die nicht konvertierte Pumpleistung (Transmission durch Lithium Niobat) in einem Fabry-Perot Etalon wiederverwertet. Dadurch konnte die THz-Leistung erneut deutlich erhöht werden.

Terahertz (THz), THz-Erzeugung, Cherenkov-Strahlung, Überhöhungsresonator, Laserpulse, Lithium Niobat Kristalle, Fernes Infrarot, breitbandig

[1] "Generation of tunable narrow-band surface-emitted terahertz radiation in periodically poled lithium niobate", C. Weiss, G. Torosyan, Y. Avetisyan, and R. Beigang,  Optics Letters, Vol. 26, No. 8, p. 563-565 (2001)
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[2] "Generation of THz-radiation using bulk, periodically poled and aperiodically poled lithium niobate", part1: Theory, J. A. L'huillier, G. Torosyan, M. Theuer, Yu. Avetisyan, and R. Beigang, Appl. Phys. B, Vol. 86, p. 185-196 (2007)
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[3] "Generation of THz-radiation using bulk, periodically poled and aperiodically poled lithium niobate", part2: Experiments, J. A. L'huillier, G. Torosyan, M. Theuer, C. Rau, Y. Avetisyan, and R. Beigang, Appl. Phys. B, Vol. 86, p. 197-208 (2007)
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[4] "Efficient generation of Cherenkov-type terahertz radiation from a lithium niobate crystal with a silicon prism output coupler", M. Theuer, G. Torosyan, C. Rau, R. Beigang, K. Maki, C. Otani, and K. Kawase, Appl. Phys. Lett., Vol. 88, p. 071122 (2006)
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[5] K. Kawase, J. Shikata and H. Ito, Phys. D: Appl. Phys., Vol. 34, p. R1 (2001)

[6] T. W. Hänsch and B. Couillaud, Opt. Comm., Vol. 35, p. 441 (1980)

[7] "Terahertz generation in an actively controlled femtosecond enhancement cavity", M. Theuer, D. Molter, K. Maki, C. Otani, J. A. L'huillier, and R. Beigang, Appl. Phys. Lett., Vol. 93, p. 041119 (2008)
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[8] "Nanosecond terahertz optical parametric oscillator with a novel quasi phase matching scheme in lithium niobate", D. Molter, M. Theuer, and R. Beigang, Opt. Express, Vol. 17, No. 8, pp. 6623-6628 (2009)
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[9] "Coherent electro-optical detection of terahertz radiation from an optical parametric oscillator", F. Z. Meng, M. D. Thomson, D. Molter, T. Löffler, J. Jonuscheit, R. Beigang, J. Bartschke, T. Bauer, M. Nittmann, and H. G. Roskos, Opt. EXPRESS Vol. 18, No. 11, pp. 11316 (2010)
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