Генерация второй оптической гармоники при взаимодействии фемтосекундного лазерного и пикосекундного терагерцевого импульсов в сапфире

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Исследована генерация второй гармоники лазерного излучения при нелинейном взаимодействии фемтосекундного инфракрасного и пикосекундного терагерцевого импульсов, распространяющихся коллинеарно в пластине из кристалла сапфира. Экспериментально обнаружено, что вторая гармоника генерируется, не только когда лазерный и терагерцевый импульсы накладываются около границ материала, как наблюдалось ранее в пластине плавленого кварца, а также и в случае их временного перекрытия в объеме материала при встречном распространении. Обнаруженный эффект объясняется тем, что длина «разбегания» лазерного и терагерцевого импульсов оказывается сопоставимой с длиной когерентности первой и второй гармоник лазерного излучения в кристалле сапфира. Проведены теоретические расчеты, полностью подтверждающие экспериментальные результаты.

Full Text

Restricted Access

About the authors

О. В. Чефонов

ФГБУН Объединенный институт высоких температур РАН

Author for correspondence.
Email: oleg.chefonov@gmail.com
Russian Federation, г. Москва

А. В. Овчинников

ФГБУН Объединенный институт высоких температур РАН

Email: a.ovtch@gmail.com
Russian Federation, г. Москва

М. Б. Агранат

ФГБУН Объединенный институт высоких температур РАН

Email: oleg.chefonov@gmail.com
Russian Federation, г. Москва

С. Б. Бодров

ФГБНУ Институт прикладной физики РАН

Email: oleg.chefonov@gmail.com
Russian Federation, г. Нижний Новгород

А. М. Киселев

ФГБНУ Институт прикладной физики РАН

Email: oleg.chefonov@gmail.com
Russian Federation, г. Нижний Новгород

А. Н. Степанов

ФГБНУ Институт прикладной физики РАН

Email: oleg.chefonov@gmail.com
Russian Federation, г. Нижний Новгород

References

  1. Salén P., Basini M., Bonetti S., Hebling J., Krasilnikov M., Nikitin A.Y., Shamuilov G., Tibai Z., Zhaunerchyk V., Goryashko V. Matter Manipulation with Extreme Terahertz Light: Progress in the Enabling THz Technology // Phys. Rep. 2019. V. 836–837. P. 1.
  2. Amini T., Jahangiri F., Ameri Z., Hemmatian M.A. A Review of Feasible Applications of THz Waves in Medical Diagnostics and Treatments // J. Lasers Med. Sci. 2021. V. 12. № 1. P. e92.
  3. Song Q., Chen J., Wang Y., Gao F., Zhang B. Ultra-sensitive Terahertz Introduced Harmonic Emission Towards Terahertz Detection // Infrared Phys. Technol. 2023. V. 133. P. 104868.
  4. Vella A., Houard J., Arnoldi L., Tang M., Boudant M., Ayoub A., Normand A., Da Costa G., Hideur A. High-resolution Terahertz-driven Atom Probe Tomography // Sci. Adv. 2021. V. 7. № 7. P. 1.
  5. Zhang Y., Li K., Zhao H. Intense Terahertz Radiation: Generation and Application // Front. Optoelectron. 2021. V. 14. № 1. P. 4.
  6. Vicario C., Jazbinsek M., Ovchinnikov A.V., Chefonov O.V., Ashitkov S.I., Agranat M.B., Hauri C.P. High Efficiency THz Generation in DSTMS, DAST, and OH1 Pumped by Cr:Forsterite Laser // Opt. Express. 2015. V. 23. № 4. P. 4573.
  7. Shalaby M., Hauri C.P. Demonstration of a Low-frequency Three-dimensional Terahertz Bullet with Extreme Brightness // Nat. Commun. 2015. V. 6. № 1. P. 5976.
  8. Ovchinnikov A.V., Chefonov O.V., Agranat M.B., Fortov V.E., Jazbinsek M., Hauri C.P. Generation of Strong-field Spectrally Tunable Terahertz Pulses // Opt. Express. 2020. V. 28. № 23. P. 33921.
  9. Seo M., Mun J.-H., Heo J., Kim D.E. High-efficiency Near-infrared Optical Parametric Amplifier for Intense, Narrowband THz Pulses Tunable in the 4 to 19 THz Region // Sci. Rep. 2022. V. 12. № 1. P. 16273.
  10. Meng X., Wang K., Yu X., Ding Y., Zeng Y., Lin T., Feng R., Li W., Liu Y., Tian Y., Song L. Generation and Characterization of Intense Terahertz Pulses from DSTMS Crystal // Opt. Express. 2023. V. 31. № 15. P. 23923.
  11. F ü l ö p J.A., Ollmann Z., Lombosi C., Skrobol C., Klingebiel S., P á lfalvi L., Krausz F., Karsch S., Hebling J. Efficient Generation of THz Pulses with 04 mJ Energy // Opt. Express. 2014. V. 22. № 17. P. 20155.
  12. Nazarov M.M., Shcheglov P.A., Teplyakov V.V., Chashchin M.V., Mitrofanov A.V., Sidorov-Biryukov D.A., Panchenko V.Y., Zheltikov A.M. Broadband Terahertz Generation by Optical Rectification of Ultrashort Multiterawatt Laser Pulses near the Beam Breakup Threshold // Opt. Lett. 2021. V. 46. № 23. P. 5866.
  13. Zhang B., Ma Z., Ma J., Wu X., Ouyang C., Kong D., Hong T., Wang X., Yang P., Chen L., Li Y., Zhang J. 1.4-mJ High Energy Terahertz Radiation from Lithium Niobates // Laser Photon. Rev. 2021. V. 15. № 3. P. 2000295.
  14. Wu X., Kong D., Hao S., Zeng Y., Yu X., Zhang B., Dai M. et al. Generation of 13.9-mJ Terahertz Radiation from Lithium Niobate Materials // Adv. Mater. 2023. V. 35. № 23. P. 1.
  15. Sun W., Wang X., Zhang Y. Terahertz Generation from Laser-induced Plasma // Opto-Electronic Sci. 2022. V. 1. № 8. P. 220003.
  16. Koulouklidis A.D., Gollner C., Shumakova V., Fedorov V.Y., Pug ž lys A., Baltu š ka A., Tzortzakis S. Observation of Extremely Efficient Terahertz Generation from Mid-infrared Two-Color Laser Filaments // Nat. Commun. 2020. V. 11. № 1. P. 292.
  17. Dey I., Jana K., Fedorov V.Y., Koulouklidis A.D., Mondal A., Shaikh M., Sarkar D., Lad A.D., Tzortzakis S., Couairon A., Kumar G.R. Highly Efficient Broadband Terahertz Generation from Ultrashort Laser Filamentation in Liquids // Nat. Commun. 2017. V. 8. № 1. P. 1.
  18. Lei H.-Y., Sun F.-Z., Wang T.-Z., Chen H., Wang D., Wei Y.-Y., Ma J.-L., Liao G.-Q., Li Y.-T. Highly Efficient Generation of GV/m-level Terahertz Pulses from Intense Femtosecond Laser-foil Interactions // iScience. 2022. V. 25. № 5. P. 104336.
  19. Bilyk V., Ilyin N., Mishina E., Ovchinnikov A., Chefonov O., Mukhortov V. Nonlinear Terahertz Pulse Induced Polarization Dynamics in Ferroelectric Ba 0.8 Sr 0.2 TiO 3 Thin Film // Scr. Mater. 2022. V. 214. P. 114687.
  20. Brekhov K., Bilyk V., Ovchinnikov A., Chefonov O., Mukhortov V., Mishina E. Resonant Excitation of the Ferroelectric Soft Mode by a Narrow-band THz Pulse // Nanomaterials. 2023. V. 13. № 13. P. 1961.
  21. Giorgianni F., Sakai J., Lupi S. Overcoming the Thermal Regime for the Electric-field Driven Mott Transition in Vanadium Sesquioxide // Nat. Commun. 2019. V. 10. № 1. P. 1159.
  22. Giorgianni F., Udina M., Cea T., Paris E., Caputo M., Radovic M., Boie L., Sakai J., Schneider C.W., Johnson S.L. Terahertz Displacive Excitation of a Coherent Raman-active Phonon in V 2 O 3 // Commun. Phys. 2022. V. 5. № 1. P. 103.
  23. Fiebig M., Pavlov V.V., Pisarev R.V. Second-harmonic Generation as a Tool for Studying Electronic and Magnetic Structures of Crystals: Review // J. Opt. Soc. Am. B. 2005. V. 22. № 1. P. 96.
  24. Mishina E., Grishunin K., Bilyk V., Sherstyuk N., Sigov A., Mukhortov V., Ovchinnikov A., Kimel A. Ultrafast Polarization Switching of (BaSr)TiO 3 Thin Film by a Single-period Terahertz Pulse in a Vicinity of Phase Transition // Ferroelectrics. 2018. V. 532. № 1. P. 199.
  25. Grishunin K.A., Ilyin N.A., Sherstyuk N.E., Mishina E.D., Kimel A., Mukhortov V.M., Ovchinnikov A.V., Chefonov O.V., Agranat M.B. THz Electric Field-Induced Second Harmonic Generation in Inorganic Ferroelectric // Sci. Rep. 2017. V. 7. № 1. P. 687.
  26. Li X., Peng P., Dammak H., Geneste G., Akbarzadeh A., Prosandeev S., Bellaiche L., Talbayev D. Terahertz Pulse Induced Second Harmonic Generation and Kerr Effect in the Quantum Paraelectric KTaO 3 // Phys. Rev. B. 2023. V. 107. № 6. P. 64306.
  27. Бодров С.Б., Корытин А.И., Сергеев Ю.А., Степанов А.Н. Генерация второй гармоники оптического излучения в кристаллах типа цинковой обманки при комбинированном воздействии фемтосекундного оптического и сильного терагерцевого полей // Квант. электроника. 2020. Т. 50. № 5. С. 496.
  28. Ding Y., Zeng Y., Yu X., Liu Z., Qian J., Li Y., Peng Y., Song L., Tian Y., Leng Y., Li R. Terahertz-assisted Even Harmonics Generation in Silicon // iScience. 2022. V. 25. № 2. P. 103750.
  29. Chefonov O.V., Ovchinnikov A.V., Sitnikov D.S., Agranat M.B. Focal Spot Imaging of Terahertz Subpicosecond Pulse by THz-Field-Induced Optical Second Harmonic Generation // High Temp. 2019. V. 57. № 1. P. 137.
  30. Tanaka S., Murotani Y., Sato S.A., Fujimoto T., Matsuda T., Kanda N., Matsunaga R., Yoshinobu J. Gapless Detection of Broadband Terahertz Pulses Using a Metal Surface in Air Based on Field-induced Second-harmonic Generation // Appl. Phys. Lett. 2023. V. 122. № 25. 251101.
  31. Krauspe P., Banerji N., R é hault J. Effective Detection of Weak Terahertz Pulses in Electro-optic Sampling at Kilohertz Repetition Rate // J. Opt. Soc. Am. B. 2020. V. 37. № 1. P. 127.
  32. Bodrov S.B., Stepanov A.N., Burova E.A., Sergeev Y.A., Korytin A.I., Bakunov M.I. Terahertz-field-induced Second Harmonic Generation for Nonlinear Optical Detection of Interfaces Buried in Transparent Materials // Appl. Phys. Lett. 2021. V. 119. № 22. 221109.
  33. Sanjuan F., Tocho J.O. Optical Properties of Silicon, Sapphire, Silica, and Glass in the Terahertz Range // Opt. InfoBase Conf. 2012. № 3. P. 4.
  34. Sajadi M., Wolf M., Kampfrath T. Terahertz-field-induced Optical Birefringence in Common Window and Substrate Materials // Opt. Express. 2015. V. 23. № 22. P. 28985.
  35. Rogalin V.E., Kaplunov I.A., Kropotov G.I. Optical Materials for the THz Range // Opt. Spectrosc. 2018. V. 125. № 6. P. 1053.
  36. Liu J., Lyu W., Deng X., Wang Y., Geng H., Zheng X. Material and Thickness Selection of Dielectrics for High Transmittance Terahertz Window and Metasurface // Opt. Mater. 2022. V. 127. P. 112219.
  37. Subkhangulov R.R., Mikhaylovskiy R.V., Zvezdin A.K., Kruglyak V.V., Rasing T., Kimel A.V. Terahertz Modulation of the Faraday Rotation by Laser Pulses via the Optical Kerr Effect // Nat. Photonics. 2016. V. 10. № 2. P. 111.
  38. Grishunin K., Bilyk V., Sherstyuk N., Mukhortov V., Ovchinnikov A., Chefonov O., Agranat M., Mishina E., Kimel A.V. Transient Second Harmonic Generation Induced by Single Cycle THz Pulses in Ba 0.8 Sr 0.2 TiO 3 /MgO // Sci. Rep. 2019. V. 9. № 1. P. 697.
  39. ефонов О.В., Овчинников А.В., Агранат М.Б. Генерация второй оптической гармоники под действием узкополосных терагерцовых импульсов в антиферромагнетике NiO // ТВТ. 2023. Т. 61. № 6. С. 920.
  40. Bodrov S.B., Sergeev Y.A., Korytin A.I., Burova E.A., Stepanov A.N. Terahertz Pulse Induced Femtosecond Optical Second Harmonic Generation in Transparent Media with Cubic Nonlinearity // J. Opt. Soc. Am. B. 2020. V. 37. № 3. P. 789.
  41. Агранат М.Б., Ашитков С.И., Иванов А.А., Конященко А.В., Овчинников А.В., Фортов В.Е. Тераваттная фемтосекундная лазерная система на хром-форстерите // Квант. электроника. 2004. Т. 34. № 6. С. 506.
  42. W ang X.C., Lim G.C., Zheng H.Y., Ng F.L., Liu W., Chua S.J. Femtosecond Pulse Laser Ablation of Sapphire in Ambient Air // Appl. Surf. Sci. 2004. V. 228. № 1–4. P. 221.
  43. Boyd R.W. Nonlinear Optics. Elsevier, 2020. 634 p.
  44. Weber M.J. Handbook of Optical Materials. CRC Press, 2018. 536 p.
  45. Russell E.E., Bell E.E. Optical Constants of Sapphire in the Far Infrared // J. Opt. Soc. Am. 1967. V. 57. № 4. P. 543.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Experimental setup (a): LPF – low-pass filter, OAP – off-axis parabolic mirrors, THz – exciting THz pulse, DL – delay line, NF – neutral filter, BP – bandpass filter, PF – protective filter, CT – Czerny–Turner monochromator, PMT – cooled photomultiplier tube, QWP – quarter-wave plate, WP – Wollaston prism, BPD – balanced photodiodes, ω and 2ω – femtosecond laser pulse at the fundamental and double frequencies; (b) 1 – waveform of the incident THz pulse, 2 – waveform of the THz pulse passed through the sample; (c) – corresponding normalized amplitude spectra obtained by processing the signals (b) with the Fourier transform.

Download (48KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Geometry of the orientation of the sapphire crystal axis C: (a) – the case when the electric field vector of the THz pulse ETHz is perpendicular to the optical axis C; (b) – the ETHz vector is parallel to the optical axis C.

Download (17KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Experimental and calculated dependences of the SH signal on the delay time between the exciting laser and THz pulses at θ = 0о (a), (c) and 90о (b), (d): 1 – experiment, 2 – theory, 3 – .

Download (54KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Illustration of the generation of induced SH in sapphire in different ranges of the time delay td: black solid lines with arrows – THz pulse, black and gray dotted lines with arrows – femtosecond laser pulse at the fundamental and doubled frequencies, SH – second harmonic radiation.

Download (17KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Experimental dependence of the SH signal on the delay time between the laser and THz pulses for the rotation angle θ = 45° of the optical axis of the sapphire crystal C relative to the polarization of the probing and THz fields.

Download (14KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Experimental dependence of the SH signal in the vicinity of the second maximum at a time delay of td = 0 ps on the peak electric field strength of the THz pulse (1) and its approximation by the wall function y = ax2.18 (2), a = 0.024.

Download (15KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences