Оптическое выпрямление в двумерных решетках в молекулярном кристалле
- Руководитель: Денисюк Игорь Юрьевич
Грант РФФИ 18-52-16014 НЦНИЛ_а
Совместный международный проект Университет ИТМО, Россия – ENS Paris Saclay, Франция.
Руководители
Проф. И.Ю. Денисюк – Россия
Проф Isabelle Ledoux-Rak – Франция
Коллектив проекта
|
Университет ИТМО Игорь Денисюк Мария Фокина, Елизавета Шекланова Юлия Игнатьева |
МГУ им. М.В. Ломоносова Илья Ожередов Антон Синько |
ENS Paris Saclay Isabelle Ledoux-Rak Ngoc Diep Lai |
Краткая аннотация проекта
Возможности терагерцовой спектроскопии и интроскопии по обнаружению объектов за непрозрачными преградами и их классификация по характерным спектрам в терагерцовой области, объясняют повышенный интерес исследователей к данной области науки. Однако генерация терагерцового излучения большой мощности является одним из основных вопросов терагерцовой спектроскопии. Решением может быть метод оптического выпрямления фемтосекундных импульсов в нелинейном кристалле, позволяющий получать одни из самых высоких значений мощности в импульсе. Важными параметрами таких кристаллов являются как величина нелинейно-оптического коэффициента второго порядка, так и длина когерентности между фемтосекундным импульсом накачки и терагерцовым излучением. Хотя эффективность преобразования возрастает по мере увеличения толщины кристалла, но здесь имеется некоторый предел, так, если групповая скорость распространения у фемтосекундного импульса инфракрасного диапазона и терагерцового излучения различна, то при сдвиге на Пи/2 будет наблюдаться уменьшение эффективности преобразования, потом снова увеличение и т.д. Еще одним важным параметром кристаллов является поглощение терагерцового излучения, данный параметр также лимитирует длину взаимодействия фемтосекундного и терагерцового импульсов. Одним из решений, позволяющих увеличить длину взаимодействия и повышения эффективности преобразования это использование метода квазифазового согласования на основе создания периодической модуляции нелинейно-оптического коэффициента в нелинейном материале.
В работе [Stepanov, A. G., Bonacina, L., & Wolf, J. P. (2012). DAST/SiO 2 multilayer structure for efficient generation of 6 THz quasi-single-cycle electromagnetic pulses. Optics letters, 37(13), 2439-2441.] приведены расчетные зависимости генерации терагерцового излучения в кристалле DAST с толщиной, превышающей длину синхронизма – пунктир и многослойной гипотетической структурой, в которой слои DAST чередуются со слоями диэлектрика так, что обеспечивается квазифазовое согласование – сплошная кривая. При отсутствии квазифазового согласования в однородном кристалле при увеличении его толщины более 25 мкм, эффективность преобразования достигает максимума и далее падает.
Следовательно, главная задача – создать многослойную структуру с чередованием нелинейно-оптических и диэлектрических слоев, обеспечивающую квазифазовое согласование.
В проекте проведены исследования новых, молекулярных со-кристаллов системы Aminopyridines - 4-nitrophenol и кристаллов DAST (4?N,Ndimethylamino?4′?N′?methyl stilbazolium tosylate). Нами проведены исследования данных нелинейно-оптических кристаллов в инфракрасной и терагерцовой области спектра, измерены показатели преломления, дисперсия и величина поглощения, на основе полученных параметров рассчитаны длины когерентности в кристаллах в зависимости от длины волны инфракрасного излучения накачки наиболее распространенных фемтосекундных лазеров – 800 – 1064 нм и частоты генерируемого терагерцового излучения. На основе этих данных произведены расчеты периодов и направлений согласующих веерных решеток. Проведены исследования методов создания таких решеток на двух объектах:
1. Решетки в со-кристаллах типа аминопиридин-нитрофенол и DAST создавались методом воздействия фотоактиничного излучения через фотошаблон – photobleaching, термин можно перевести как фотовыцветание. Изучены изменения параметров кристаллов после экспонирования, в частности изменение показателя преломления и уменьшение нелинейно-оптического коэффициента второго порядка. Последнее обеспечивает формирование необходимой решетки из чередующихся областей: имеющих и не имеющих нелинейно-оптическую восприимчивость.
Следовательно, процесс идеально подходит для формирования необходимой решётки, обеспечивающей фазовое квазисогласование. В ходе проекта созданы образцы подобных решеток.
2. Решетки в нелинейно-оптическом нанокомпозите. Разработан и исследован способ создания периодических структур с чередованием доменов имеющих и не имеющих нелинейно-оптическую восприимчивость. Для получения данной структуры методом фотолитографии формировались периодическая решетка из фоторезиста SU-8 (домен с нулевой нелинейно-оптической восприимчивостью), пространство заполнялось нанокомпозитом - нанокристаллы DAST в матрице из полиметилметакрилата. Проведенные исследования подтвердили наличие нелинейно-оптической восприимчивости второго порядка в полученном нанокомпозите.
В течение следующего года выполнения проекта предполагается исследование полученных решеток в терагерцовой области спектра, включая генерацию терагерцового излучения по методу оптического выпрямления при накачке фемтосекундным импульсным лазером. Однако уже на данном этапе полученные результаты дают научные основы и демонстрируют принципиальные возможности создания периодических и апериодических нелинейно-оптических решеток как на базе молекулярных кристаллов, так и на базе нанокомпозитного материала.