Spectral Control and Topological Beam Synthesis in Second-order Downconversion Processes
Tid: Fr 2025-09-26 kl 13.00
Plats: Pärlan, Albanovägen 26
Språk: Engelska
Respondent: Yaqun Liu , Ljus och materiens fysik
Opponent: Jean-Louis Coutaz, University Savoie Mont Blanc
Handledare: Valdas Pasiskevicius, Ljus och materiens fysik; Fredrik Laurell, Ljus och materiens fysik
QC 2025-09-12
Abstract
Terahertzområdet (THz) i det elektromagnetiska spektrumet blir alltmer relevant för tillämpningar inom trådlös högkapacitetskommunikation, avancerad spektroskopi, säkerhetsskanning och nästa generations acceleratorer för laddade partiklar. Icke-linjära optiska tekniker erbjuder en mångsidig och kraftfull väg till generering av THz-strålning, antingen genom direkt generering via optiskrektifikation (OR) eller genom differensfrekvensgenerering (DFG) från mellan-infraröda (mellan-IR) lasrar. Denna avhandling behandlar centrala utmaningar vid generering och kontroll av strålning med hjälp av två primära icke-linjära optiska mekanismer: Utveckling av smalbandiga, avstämbara mellan-IR-källor med optisk parametrisk oscillation (OPO), samt generering och rum-tid-upplöst karakterisering av strukturerade THz-vågpaket med användning av OR.
En OPO, skalbar i effekt, baserad på typ-II fasmatchad periodiskt polade kaliumtitanylfosfat (PPKTP), pumpad vid 1.06 $\upmu$m, undersöks. Systemet uppnår precis avstämbarhet i 2 $\upmu$m-området med smal linjebredd, hög termisk stabilitet och utmärkt spektral kontroll, vilket gör det lämpligt för tillämpningar som växthusgasdetektion (GHG) och kvantfotonik. En detaljerad analys av materialegenskaper och kristalldesignparametrar presenteras för att möjliggöra noggrann inriktning mot molekylära absorptionslinjer. Tack vare smalbandigheten och skalbarheten är denna mid-IR-källa också lovande för att genomföra effektiv ickelinjär frekvensomvandling till THz-området via DFG.
Genereringen av komplexa fåcykliga THz-vågpaket med vektor- och skalärfältsingulariteter undersöks också. En ny metod, baserad på OR längs den trefaldiga symmetriaxeln i zinkbländekristaller, möjliggör direkt generering av THz-vortexstrålar som bär orbitalt rörelsemängdsmoment (OAM). Detta tillvägagångssätt möjliggör dessutom full kontroll över vektor-THz-strålar genom en dubbelpumpkonfiguration, vilket ger tillgång till hela den högre ordningens Poincarésfär (HOP). En omfattande teoretisk modell utvecklas för att beskriva denna icke-linjära elektriska fältsyntes. Vidare implementeras en polariseringsupplöst elektrooptisk samplingsmetod i tidsdomänen experimentellt för syntes och fullständig (2+1)D-kartläggning av amplitud och fas i det THz-elektriska fältet, vilket möjliggör en detaljerad analys av strukturerat ljus. Metoden banar väg för hyperspektral- och vektorfältsavbildning i THz-området.
Detta arbete lyfter fram mångsidigheten hos icke-linjär optik för spektral kontroll och generering av strukturerat ljus i mellan-IR- och THz-områdena, och lägger grunden för kompakta, avstämbara och högpresterande ljuskällor anpassade för avancerade fotoniktillämpningar.