Optische Gleichrichtung in periodisch gepolten optisch nichtlinearen Materialien zur Erzeugung von schmalbandiger durchstimmbarer THz-Strahlung

• Applicant: Professor Dr. René Beigang
• Subject Area: Optics, Quantum Optics and Physics of Atoms, Molecules and Plasmas
• Term: from 2003 to 2009
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 5401863

• Final Report Year: 2009

Final Report Abstract

Optische Gleichrichtung von Femtosekunden-Impulsen in nichtlinearen Materialien ist eine effiziente Methode zur Erzeugung von kohärenter Strahlung im Frequenzbereich zwischen 100 GHz und einigen 10 THz. Die erzeugte Strahlung kann sowohl extrem breitbandig sein mit Bandbreiten, die deutlich über der Mittenfrequenz liegen, oder aber auch schmalbandig mit veränderlicher Mittenfrequenz. Als nichtlineare optische Materialien kommen sowohl unstrukturierte als auch strukturierte Materialien in Frage. In diesem Forschungsprojekt wurde ein theoretisches Modell entwickelt, mit dem die Abstrahlung von elektromagnetischer Strahlung im THz-Bereich durch optische Gleichrichtung in periodisch gepolten Materialien beschrieben werden kann und das alle auftretenden physikalischen Effekte, wie die Ausbreitung von THz-Strahlung in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung, unter einem beliebigen Winkel zur Pumpstrahlung, Ausstrahlung unter dem Cherenkov-Winkel und die Erzeugung von breitbandiger Strahlung in ungepolten Materialien beinhaltet. Zusätzlich wurden unterschiedliche Polungsstrukturen mit diesem Modell erfasst. Das Modell ist unabhängig vom verwendeten nichtlinearen Material. Die theoretischen Untersuchungen wurden für die Wechselwirkung von Gauß-Strahlen mit Hilfe des Modells einer strahlenden Antenne („radiating antenna approach") durchgeführt. Dabei sind Beugungseffekte einbezogen und es ist möglich, auch eine Abstrahlung quantitativ zu beschreiben in Richtungen, die von der ursprünglichen Strahl ausbreitung abweichen. Die theoretischen Untersuchungen wurden unterstützt durch Experimente mit Lithiumniobat-Kristallen (LNB), in denen die die entwickelte Theorie eindeutig bestätigt werden konnte. Die folgenden Erzeugungsschemata wurden experimentell untersucht: 1. Erzeugung in unstmkturiertem LNB 2. Cherenkov-Typ Erzeugung 3. periodisch gepolt (Vorwärts- und Rückwärtsrichtung) 4. aperiodisch gepolt 5. schräge Polung („slant stripe") 6. Schachbrett-Polung Die auf diese Weise entwickelten THz-Quellen wurden für unterschiedliche Anwendungen eingesetzt. Dazu gehören die Anregung und Ausbreitung von Oberflächenplasmonen in periodisch strukturierten Oberflächen sowie die Untersuchung von Wellenleitersensoren im THz-Spektralbereich. Die durchgeführten theoretischen und experimentellen Arbeiten haben gezeigt, dass die optische Gleichrichtung eine effiziente Methode zur Erzeugung von THz-Strahlung mit anpassbaren Eigenschaften ist. Das theoretische Modell erlaubt eine zuverlässige Simulierung der optischen Gleichrichtung für unterschiedliche Parameter des verwendeten nichtlinearen Materials. Die Berechnung erfolgt unter der Armahme von Gauß-Strahlen und ist somit sehr praxisnah.

Publications

• "Enhanced generation of Cherenkov-type terahertz radiation from a lithium niobate crystal with attached silicon prism coupler", Intemational Forum on Terahertz Spectroscopy
  M. Theuer, G. Torosyan, D. Molter, C. Rau, R. Beigang, K. Maki, C. Otani, and K. Kawase
  
• "Generation of Narrowband Tunable THz-Radiation via Optical Rectification in Periodically Poled Materials", Joumal of Biological Physics, Vol. 29, No. 2, p. 287-293 (2003)
  G. Torosyan, K. Nerkararyan, Y. Avetisyan, and R. Beigang
  
• "THz-generation via optical rectification of fs-pulses in a periodically poled nonlinear materials", 11th Intemational Conference on Terahertz Electronics(THz2003), Sendai, Japan, September 24-26, 2003
  G. Torosyan, Ch. Rau, Y. Avetisyan, C. Weiss, and R. Beigang
  
• "Generation and propagation of surface plasmons in periodic metallic structures", Appl. Phys. Lett., Vol. 85, No. 16, p. 3372(2004)
  G. Torosyan, C. Rau, B. Pradarutti, and R. Beigang
  
• "Generation of THz radiation using bulk and periodically poled lithium niobate", Intemational Workshop on "Lithium Niobate from material to device, from device to system" Technical Digest O22, 2005
  J. A. L'Huillier, A. Quosig, G. Torosyan, and R. Beigang
  
• "Prism coupled terahertz waveguide sensor", Appl. Phys. Lett., Vol 86, 211119 (2005)
  C. Rau, G. Torosyan, K. Nerkararyan, and R. Beigang
  
• "Terahertz radiation from a MgO:LiNbO3 crystal using a femtosecond pumped enhancement cavity", The Joint 30th Intemational Conference on Infrared and Millimeter Waves, and 13th Intemational Conference on Terahertz Electronics (IRMMW-THz2005), Williamsburg, VA, USA, p. 636-637, September 19-23, 2005
  M. Theuer, G. Torosyan, R. Beigang, K. Maki, and K. Kawase
  
• "Actively Controlled Enhancement Cavity for Terahertz Generation", Joint 31st Intemational Conference on Infrared and Millimeter Waves and 14th Intemational Conference on Terahertz Electronics (IRMMW-THz2006), Shanghai, China, p. 387, September 18- 22, 2006
  M. Theuer, D. Molter, G. Torosyan, R. Beigang, K. Maki, and K. Kawase
  
• "Efficient generation of Cherenkov-type terahertz radiation from a lithium niobate crystal with a silicon prism output coupler", Appl. Phys. Lett., Vol. 88, p. 071122 (2006)
  M. Theuer, G. Torosyan, C. Rau, R. Beigang, K. Maki, C. Otani, and K. Kawase
  
• "Generation of Terahertz Radiation using Bulk, Periodically and Aperiodically Poled Lithium Niobate", Intemational Forum on Terahertz Spectroscopy and Imaging, Kaiserslautern, Germany, March 1-2, 2006
  J. A. L'Huillier, C. Rau, R. Beigang, G. Torosyan, and M. Theuer
  
• "Nonlinear Generation of Terahertz Radiation in Bulk, Periodically and Aperiodically Poled Lithium Niobate", ECAPD'8, 8th European Conference on Applications of Polar Dielectrics, Metz (France), September 5-8, 2006
  J. A. L'Huillier, R. Beigang, G. Torosyan, and M. Theuer
  
• "Nonlinear Generation of Terahertz Radiation in Bulk, Periodically and Aperiodically Poled Lithium Niobate", Joint 31st International Conference on Infrared and Millimeter Waves and 14th Intemational Conference on Terahertz Electronics (IRMMW-THz2006), Shanghai, China, p. 131, September 18-22, 2006
  J. A. L'Huillier, G. Torosyan, M. Theuer, and R. Beigang
  
• "Actively stabilized synchronously pumped Enhancement Cavity for THz Generalion", Joint 32st Intemational Conference on Infrared and Millimeter Waves and 15th Intemational Conference on Terahertz Electronics (IRMMW-THz2007), p. 462- 463, Cardiff, UK
  D. Molter, M. Theuer, G. Torosyan, R. Beigang, K. Maki, and K. Kawase
  
• "Generation of THz-radiation using bulk, periodically poled and aperiodically poled lithium niobale", part 2: Experiments, Appl. Phys. B, Vol. 86, p. 197-208 (2007)
  J. A. L'Huillier, G. Torosyan, M. Theuer, C. Rau, Y. Avetisyan, and R. Beigang
  
• "Generation of THz-radiation using bulk, periodically poled and aperiodically poled lithium niobate", part 1: Theory, Appl. Phys. B, Vol. 86, p. 185-196 (2007)
  J. A. L'Huillier, G. Torosyan, M. Theuer, Yu. Avetisyan, and R. Beigang
  
• "Terahertz Plasmonics", SPIE Photonics Wesl, San Jose, CA, USA, January 19-24, 2008
  R. Beigang, B. Reinhard, G. Torosyan, and O. Paul