Saphir-Femtosekundenlaser-Filamentation in Argon bei 1 kHz Wiederholrate

Eine neue Veröffentlichung von Optoelektronische Fortschritte betrachtet einen über 20 μJ THz-Laserpuls, der bei 1 kHz in Gasmedien erzeugt wird.

Die Terahertz (THz)-Wissenschaft und -Technologie hat in den letzten 20 Jahren aufgrund ihres potenziellen Anwendungspotenzials in der Sicherheitsbildgebung, der medizinischen Diagnose, dem Militär, der drahtlosen Kommunikation und der Astronomie große Aufmerksamkeit von wissenschaftlichen Forschern aus der ganzen Welt erhalten. Die Entwicklung von Hochleistungs-Breitband-THZ-Strahlungsquellen war jedoch eine herausfordernde Aufgabe auf den oben genannten Gebieten.

Unter den verschiedenen THz-Strahlungsquellen hat die THz-Strahlungsquelle auf der Basis von Femtosekunden-Laserfilament die Vorteile von Breitband (~200 THz), hoher Amplitude (100 MV/cm) und keiner Begrenzung der Schadensschwelle. Darüber hinaus begrenzt das THz-Erzeugungsverfahren auf der Grundlage der Femtosekundenlaser-Filamentation die THz-Welle innerhalb des Filaments, was die Beugung und Absorption während der Ausbreitung der THz-Welle in der Atmosphäre eliminieren und die Fernübertragung der THz-Welle möglich machen kann.

Das auf der zweifarbigen Femtosekundenlaser-Filamentierung basierende THz-Erzeugungsschema hat eine höhere Energieumwandlungseffizienz als das unter Verwendung eines einfarbigen Femtosekundenlasers. In diesem Schema können die Intensität, Bandbreite, Polarisation und andere Eigenschaften der THz-Strahlung durch viele Laserparameter beeinflusst werden, einschließlich der zeitlichen Verzögerung, Dispersion, Polarisation, Wellenlänge, räumlichen Abweichung der zweifarbigen Felder. Auch die umgebenden Gasarten spielen eine entscheidende Rolle. Um eine effiziente THz-Strahlungsquelle zu entwickeln, müssen alle diese Parameter sorgfältig entworfen und manipuliert werden.

Die Forschungsgruppe unter der Leitung von Prof. Weiwei Liu von der Universität Nankai verwendete einen Femtosekundenlaser mit einer Einzelpulsenergie von 6 mJ, um die zweifarbige Laserfilamentierung durch Frequenzverdopplung des Grundlasers über einen β-BBO-Kristall zu erzeugen. Die zweifarbigen Laserstrahlen erreichen durch einen geneigten α-BBO-Kristall die perfekte räumlich-zeitliche Überlappung. Unterdessen wurde eine Platte mit zwei Wellenlängen verwendet, um dafür zu sorgen, dass die zweifarbigen Laserstrahlen die gleiche Polarisation haben. Die Energie des vom Laserfilament in Argon erzeugten THz-Pulses kann bis zu 21 μJ betragen und die entsprechende THz-Umwandlungseffizienz erreicht 0,35 %.

In dieser Arbeit wurde der Einfluss der Umgebungsgasspezies auf die THz-Erzeugungseffizienz durch die zweifarbige Laserfilamentierung experimentell untersucht. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die höchste Konversionseffizienz von THz-Strahlung in Argongas erreicht wird. Die Beziehung zwischen dem Neigungswinkel von α-BBO und der erzeugten THz-Leistung in Argon wurde ebenfalls untersucht. α-BBO mit optimalem Neigungswinkel und vorkonfigurierter Dicke kann gleichzeitig die Zeitverzögerung und das räumliche Walk-Off der zweifarbigen Laserstrahlen kompensieren und spielt die entscheidende Rolle bei der Verbesserung der Erzeugungseffizienz von THz-Wellen. Diese Forschungsarbeit erzielte einen Durchbruch in der Energieumwandlungseffizienz von THz-Wellen, die durch die zweifarbige Femtosekunden-Laserfilamentierung erzeugt wurden, was von großer Bedeutung für die Untersuchung von hochintensiven THz-Quellen und die Erforschung der Wechselwirkung zwischen starkem THz-Strahl und Materialien ist .

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