Конические 90° зеркала для резонатора лазера терагерцевого диапазона

В средней части терагерцевого диапазона радиочастот (~1 ТГц) одними из доступных источников излучения являются газоразрядные лазеры. Юстировка зеркал резонатора – это наиболее ответственная и сложная операция, которую приходится выполнять в процессе эксплуатации таких лазеров. Актуальной задачей является разработка лазерных резонаторов, зеркала которых не требуют юстировки. В работе проведено исследование конических зеркал с углом при вершине 90°. Испытания проводились в резонаторе газоразрядного HCN-лазера на длине волны 337 мкм (f = 0,89 ТГц). Результаты экспериментов показали, что такие зеркала не требуют точной юстировки. Это дает возможность повысить стабильность излучения, значительно упростить конструкцию лазера и снизить трудоемкость его обслуживания.У середній частині терагерцового діапазону радіохвиль (~ 1 ТГц) одними з доступних джерел випромінювання є газорозрядні лазери. Юстировка дзеркал резонатора – це найбільш відповідальна та складна операція, яку доводиться виконувати в процесі експлуатації таких лазерів. Актуальним завданням є розробка лазерних резонаторів, дзеркала яких не вимагають юстирування. У роботі проведено дослідження конічних дзеркал з кутом при вершині 90°. Випробування проведено в резонаторі газорозрядного HCN-лазера на довжині хвилі 337 мкм (f = 0,89 ТГц). Результати експериментів показали, що такі дзеркала не вимагають точного юстирування. Це дає можливість підвищити стабільність випромінювання, значно спростити конструкцію лазера та знизити трудомісткість його обслуговування.In the mid part of the terahertz range of frequencies (~ 1 THz) gas-discharge lasers are among the most common and available generators. Alignment of the resonator mirrors is one of the most critical and complex operations that have to be performed while using such lasers. Development of laser resonators that do not require adjustment of the mirrors is an important task. A study of the conical mirrors with an apex angle of 90° was conducted. These mirrors are tested in a laser cavity. The tests were carried out in a gas-discharge HCN-laser at a wavelength of 337 microns (f = 0.89 THz). Experimental results have shown that such mirrors do not require precise alignment. This makes it possible to improve the stability of the radiation, to simplify the design of the laser and to reduce the complexity of its maintenance

Конические 90° зеркала для резонатора лазера терагерцевого диапазона

В средней части терагерцевого диапазона радиочастот (~1 ТГц) одними из доступных источников излучения являются газоразрядные лазеры. Юстировка зеркал резонатора – это наиболее ответственная и сложная операция, которую приходится выполнять в процессе эксплуатации таких лазеров. Актуальной задачей является разработка лазерных резонаторов, зеркала которых не требуют юстировки. В работе проведено исследование конических зеркал с углом при вершине 90°. Испытания проводились в резонаторе газоразрядного HCN-лазера на длине волны 337 мкм (f = 0,89 ТГц). Результаты экспериментов показали, что такие зеркала не требуют точной юстировки. Это дает возможность повысить стабильность излучения, значительно упростить конструкцию лазера и снизить трудоемкость его обслуживания.У середній частині терагерцового діапазону радіохвиль (~ 1 ТГц) одними з доступних джерел випромінювання є газорозрядні лазери. Юстировка дзеркал резонатора – це найбільш відповідальна та складна операція, яку доводиться виконувати в процесі експлуатації таких лазерів. Актуальним завданням є розробка лазерних резонаторів, дзеркала яких не вимагають юстирування. У роботі проведено дослідження конічних дзеркал з кутом при вершині 90°. Випробування проведено в резонаторі газорозрядного HCN-лазера на довжині хвилі 337 мкм (f = 0,89 ТГц). Результати експериментів показали, що такі дзеркала не вимагають точного юстирування. Це дає можливість підвищити стабільність випромінювання, значно спростити конструкцію лазера та знизити трудомісткість його обслуговування.In the mid part of the terahertz range of frequencies (~ 1 THz) gas-discharge lasers are among the most common and available generators. Alignment of the resonator mirrors is one of the most critical and complex operations that have to be performed while using such lasers. Development of laser resonators that do not require adjustment of the mirrors is an important task. A study of the conical mirrors with an apex angle of 90° was conducted. These mirrors are tested in a laser cavity. The tests were carried out in a gas-discharge HCN-laser at a wavelength of 337 microns (f = 0.89 THz). Experimental results have shown that such mirrors do not require precise alignment. This makes it possible to improve the stability of the radiation, to simplify the design of the laser and to reduce the complexity of its maintenance

Газоразрядные лазеры терагерцевого диапазона

В работе приведены результаты экспериментальных и теоретических исследований газоразрядных лазеров терагерцевого диапазона, обобщены многочисленные исследования особенностей их работы. Представлен ряд новых разработок, направленных на повышение эффективности и расширение функциональных возможностей газоразрядных терагерцевых лазеров. Разработаны новые способы накачки газоразрядных лазеров. Предложены новые технические решения, позволяющие повысить мощность и КПД лазера благодаря оптимизации процесса синтеза активного вещества и устранению негативного влияния побочных продуктов синтеза. Разработаны методики моделирования формы импульсов лазерной генерации в лазерах с накачкой импульсным током и переменным током низкой частоты. Предложены и созданы новые типы лазерных резонаторов и новые разновидности зеркал. Разработаны лазерные резонаторы с зеркалами, не требующими точной юстировки. Предложены частично прозрачные зеркала в виде плоских периодических структур, сочетающие в себе функции вогнутых зеркал и фокусирующих линз, что позволяет снизить дифракционные потери лазерного излучения. Представлены резонаторы с новыми принципами плавной регулировки вывода излучения. Разработаны много-частотные лазеры и системы плавной регулировки частоты их излучения без использования частотно-измерительной аппаратуры. Все это позволило улучшить параметры терагерцевых лазеров и расширить область их применения. Представлены некоторые сферы применения ТГц-лазеров, в частности в медицинских целях и в области измерений. Разработаны новые способы измерения показателей преломления различных веществ и материалов в терагерцевом диапазоне с использованием разработанных лазеров.В роботі наведено результати експериментальних і теоретичних досліджень газорозрядних лазерів ТГц-діапазону, узагальнено численні дослідження особливостей їх роботи. Представлено низку розробок, спрямованих на підвищення ефективності та розширення функціональних можливостей газорозрядних ТГц-лазерів. Розроблено нові способи накачування газорозрядних лазерів. Запропоновано нові технічні рішення, що дозволяють підвищити потужність і ККД лазера завдяки оптимізації процесу синтезу активної речовини та усуненню негативного впливу побічних продуктів синтезу. Розроблено методики моделювання форми імпульсів генерації в лазерах з накачуванням імпульсним струмом і змінним струмом низької частоти. Запропоновано та створено нові типи лазерних резонаторів і нові різновиди дзеркал. Розроблено лазерні резонатори з дзеркалами, що не вимагають ретельного юстування. Запропоновано частково прозорі дзеркала у вигляді плоских періодичних структур, що поєднують в собі функції увігнутих дзеркал і фокусуючих лінз, що дозволяє знизити дифракційні втрати лазерного випромінювання. Представлено резонатори з новими принципами плавного регулювання виведення випромінювання. Розроблено багаточастотні лазери і системи плавного регулювання частоти їх випромінювання без використання частотовимірювальної апаратури. Все це дозволило поліпшити параметри ТГц-лазерів і розширити область їх застосування. Представлено деякі галузі застосування ТГц-лазерів, зокрема в медичних цілях і в області вимірювань. Розроблено нові способи вимірювання показників заломлення різних речовин і матеріалів у ТГц-діапазоні з використанням створених лазерів.The results of experimental and theoretical studies of gas-discharge THz-lasers, and numerous studies of the features of their work have been summarized in the paper. A number of new developments aimed at increasing the efficiency and expanding the functionality of gas-discharge terahertz lasers have been presented. New methods of pumping gas-discharge lasers, which were developed, have been presented. We have proposed new technical solutions which allow increasing the power and efficiency of the laser by optimizing the synthesis of the active substance and eliminating the negative impact of synthesis by-products. New methods for modeling the shape of laser pulses in lasers pumped with pulsed current and alternating low-frequency current have been presented. New types of laser resonators and new varieties of mirrors have been proposed and created and they have been presented in this work. Laser resonators with mirrors that do not require accurate alignment have been developed. Partially transparent mirrors, in the form of flat periodic structures that combine the functions of concave mirrors and focusing lenses, have been proposed. These mirrors can reduce the diffraction loss of laser radiation. Resonators with new principles of smooth regulation of radiation output from them, have been presented. Multifrequency lasers have been developed. Systems for the smooth adjustment of the frequency of electromagnetic laser radiation, in which adjustment is carried out without the use of frequency measuring equipment, have been designed for these lasers. All these new developments, presented here, have made it possible to improve the parameters of terahertz lasers and to expand their field of application. Some applications of THz lasers, in particular medical applications and in the field of measurement have been presented. New ways of measuring the refractive indices of various substances and materials in the THz range, using the developed lasers, have also been presented in this work

Millimeter-wave and terahertz optical heterodyne photonic integrated circuits for high data rate wireless communications

The data rate of wireless communications systems has been increasing because of the new applications that today’s society are applying. The prospective data rate for wireless communications in the marketplace will be 100 Gbps within 10 years. Therefore, to enable such data rates the use of millimetre and terahertz (THz) waves, whose frequencies range from 100 GHz to 1 THz, for broadband wireless communications is very suitable and efficient. At frequencies above 100 GHz, GaAs and InP based devices and integrated circuits (ICs) have been key players in THz communications research, because of high cut-off and maximum frequencies of transistors. In fact, the photonics-based transmitter has become more effective to achieve higher data rates of over 20 Gbps. This could be realized thanks to the availability of telecom-based high-frequency components such as lasers, modulators and photodiodes (O-E converters). The use of optical fiber cables enables us to distribute high-frequency RF signals over long distances, and makes the size of transmitter frontends compact and light. Regarding the photonics-based receiver, photodiode is the photonic component best suited to be a signal downconverter. It is used an enveloped detector, so an easy modulation format such as on-off keying shifting (OOK) can be used to recover the transmitted data. Most common optical continuous wave (CW) signal generator is based on an optical heterodyning, using a dual-wavelength optical source. In this technique, two optical wavelengths λ1 and λ2 are mixed on a photodiode or a photoconductor to generate an electrical beat note with its frequency being determined by the difference of the two optical wavelengths. There are different solutions to implement the dual wavelength source. The most straightforward source involves combining the light from two independent different single-frequency semiconductor lasers. The most straightforward approach to implement these signal generation schemes is to assemble the required discrete components. However, the optical fiber connections that are required introduce many problems, including path length variations due to thermal variations. A novel approach, that is becoming readily available nowadays, is to use photonic integration techniques. Photonic integration allows placing all of the required components onto a single chip. This has several advantages, starting from eliminating fiber coupling losses among the different components. Besides, a reduced size of the components gives a result a cost-effective solution.Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y AutomáticaPresidente: Tadao Nagatsuma.- Secretario: Horacio Lamela Rivera.- Vocal: Íñigo Molina Fernánde

Topological Photonics

Topological photonics is a rapidly emerging field of research in which geometrical and topological ideas are exploited to design and control the behavior of light. Drawing inspiration from the discovery of the quantum Hall effects and topological insulators in condensed matter, recent advances have shown how to engineer analogous effects also for photons, leading to remarkable phenomena such as the robust unidirectional propagation of light, which hold great promise for applications. Thanks to the flexibility and diversity of photonics systems, this field is also opening up new opportunities to realize exotic topological models and to probe and exploit topological effects in new ways. This article reviews experimental and theoretical developments in topological photonics across a wide range of experimental platforms, including photonic crystals, waveguides, metamaterials, cavities, optomechanics, silicon photonics, and circuit QED. A discussion of how changing the dimensionality and symmetries of photonics systems has allowed for the realization of different topological phases is offered, and progress in understanding the interplay of topology with non-Hermitian effects, such as dissipation, is reviewed. As an exciting perspective, topological photonics can be combined with optical nonlinearities, leading toward new collective phenomena and novel strongly correlated states of light, such as an analog of the fractional quantum Hall effect.Comment: 87 pages, 30 figures, published versio

Vývoj terahertzového časově-rozlišeného spektrometru využívajícího generaci nelineární plazmou

Terahertz time-domain spectroscopy (THz-TDS) is a powerful pump-probe technique that employs ultra-short laser pulses to investigate various materials, with applications spanning medicine, security, the semiconductor industry, agriculture, and art conservation. This thesis provides complex information about the aspects of the THz-TDS and guides the reader through the development process of a THz-TDS system within the IT4Innovations laser laboratory. I describe the design, construction, optimization, and experimental demonstration of the THz-TDS system, which was developed in the frame of this thesis. I concentrate on the alignment of laser beam paths and optical components to maximize THz signal amplitude and frequency spectrum. The thesis also includes an experimental analysis of the polarization sensitivity of the ZnTe crystal in the THz-TDS detection branch. My attention is further focused on the efficient generation of THz fields using a two-color plasma. Using the nonlinear four-wave mixing approach, illustrative simulations were conducted to analyze THz pulses and their dependence on input optical field parameters. The insights gained from this work lay the foundation for future improvements to the developed THz-TDS setup, enabling the validation of simulation results and driving advancements in the diverse fields where THz-TDS finds its applications.Terahertzová spektroskopie v časové doméně (THz-TDS) je učinná metoda využívající ultrakrátké laserové pulzy ke studiu mnoha materiálů a uplatňuje se v mnoha aplikacích, které se nachází oblastech medicíny, bezpečnosti, polovodičového průmyslu či zemědělství. Tato práce poskytuje komplexní přehled o aspektech THz-TDS a seznamuje čtenáře s procesem vývoje systému THz-TDS ve výzkumné laserové laboratoři IT4Innovations. Je zde popsán návrh, konstrukce, optimalizace a experimentální demonstrace THz-TDS systému, který byl vyvinut v rámci této práce. Tato část se dále blíže zaměřuje na nastavení drah laserového svazku a optických komponent k získání maximální amplitudy THz signálu a jeho frekvenčního spektra. Práce rovněž obsahuje experimentální analýzu polarizační citlivosti krystalu ZnTe v detekční části THz-TDS. Moje pozornost je dále zaměřena na účinné generování THz pole pomocí dvoubarevné plazmy. Přístupem skrze proces nelineárního čtyřvlnného míšení byly provedeny ilustrativní simulace za účelem analýzy THz pulzů a jejich závislosti na vstupních parametrech optického pole. Poznatky získané z této práce jsou základem pro budoucí zdokonalení vybudované THz-TDS sestavy, které umožní ověřit výsledky provedených simulací a přispějí k pokroku v mnoha oblastech, kde THz-TDS nachází své uplatnění.651 - Katedra chemie a fyzikálně-chemických procesůvýborn

Roadmap on structured light

Structured light refers to the generation and application of custom light fields. As the tools and technology to create and detect structured light have evolved, steadily the applications have begun to emerge. This roadmap touches on the key fields within structured light from the perspective of experts in those areas, providing insight into the current state and the challenges their respective fields face. Collectively the roadmap outlines the venerable nature of structured light research and the exciting prospects for the future that are yet to be realized.Peer ReviewedPostprint (published version