De zoektocht naar en de ontwikkeling van efficiënte terahertz (THz) bronnen is een van de belangrijkste wetenschappelijke doelen van de 21e eeuw. Het THz-gebied van het elektromagnetische spectrum bestaat uit lichtfrequenties tussen de infrarood- en microgolfbanden en is verantwoordelijk voor een van de laatste nauwelijks onderzochte lichtgebieden. Er zijn momenteel niet veel sterke en efficiënte bronnen en detectoren beschikbaar voor het THz-frequentiebereik. .

Recente pogingen om THz-bronnen te produceren omvatten het gebruik van grootschalige laserfaciliteiten die gebruik maken van ultrakorte gepulseerde lasers die in staat zijn om ruwweg de hoeveelheid stroom te leveren die wordt verbruikt door een biljoen gloeilampen van 1 W binnen een tijdsbestek van een biljardste van een seconde. De intensiteit in het brandpunt van deze lasers is sterk genoeg om elektronen uit materialen te trekken (materie wordt omgezet in plasma), wat leidt tot het genereren van licht door het hele elektromagnetische spectrum.

Om met deze methode sterkere THz-frequenties te produceren, maakt de huidige lasertechnologie helaas slechts een paar "schoten" mogelijk binnen een tijdsbestek van enkele minuten of uren. Dit betekent dat om de THz-bronnen goed te kunnen meten en karakteriseren, er een detectiemethode moet worden ontwikkeld die de geproduceerde straling binnen één opname volledig kan karakteriseren.

Onderzoekers onder leiding van prof. X.-C. Zhang van het Institute of Optics, Universiteit van Rochester in New York, VS, heeft een methode ontwikkeld om het elektrische THz-veld te detecteren door het om te zetten in zichtbaar licht, bekend als de generatie van "THz-veld-geïnduceerde tweede harmonische" (TFISH). Deze methode maakt gebruik van niet-lineaire optica (de studie van de interactie tussen materie en zeer intens licht) om de frequentie van een optische straal te verdubbelen in de aanwezigheid van een THz-golf.

Hoewel deze meetmethode al bijna twintig jaar wordt gebruikt, hebben de onderzoekers een nieuwe strategie bedacht om de straling direct bij de plasmabron te meten terwijl deze wordt geproduceerd. Het werk, getiteld "Lokale meting van terahertz veld-geïnduceerde tweede harmonische generatie in plasmafilamenten", werd op 13 december 2023 gepubliceerd in Frontiers of Optoelectronics .

Omdat de THz-golf beperkt blijft tot het plasma wanneer deze wordt geïnitieerd, is de niet-lineaire conversie van THz naar zichtbaar licht uiterst efficiënt en kan deze zelfs met het blote oog worden gedetecteerd. In hun systeem produceren de onderzoekers plasma in droge lucht met een intense straal en gebruiken ze een tweede zwakke laserstraal van optische straling om het plasma onder een niet-collineaire hoek te onderzoeken. Door de aankomst van de sondestraal te timen op het moment dat het plasma ontstaat, kunnen de onderzoekers de dynamiek van het plasma karakteriseren, waardoor een volledig meetpakket voor de THz-bron ontstaat.

Bovendien toonden de onderzoekers, met behulp van een rooster om de timing over de indringende straal te veranderen, de eerste meting van een TFISH-signaal gemaakt binnen één enkele laseropname. Deze methode biedt tot nu toe de grootste bandbreedte voor THz single-shot-detectie.

Meer informatie: Kareem J. Garriga Francis et al, Lokale meting van terahertzveld-geïnduceerde tweede harmonische generatie in plasmafilamenten, Frontiers of Optoelectronics (2023). DOI:10.1007/s12200-023-00095-y

Aangeboden door Frontiers Journals