DUAL-FREQUENCY TERAHERTZ LASER
Subject and Purpose. The development of the terahertz (THz) frequency range reflects recent progress in radiation sources, in particular, THz (submillimeter) lasers. Heterodyne THz devices require dual-frequency lasers capable of emitting two different THz frequencies simultaneously. This work aims...
Saved in:
| Date: | 2025 |
|---|---|
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
Видавничий дім «Академперіодика»
2025
|
| Subjects: | |
| Online Access: | http://rpra-journal.org.ua/index.php/ra/article/view/1477 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Radio physics and radio astronomy |
Institution
Radio physics and radio astronomy| id |
rpra-journalorgua-article-1477 |
|---|---|
| record_format |
ojs |
| institution |
Radio physics and radio astronomy |
| baseUrl_str |
|
| datestamp_date |
2025-09-16T09:32:33Z |
| collection |
OJS |
| language |
Ukrainian |
| topic |
terahertz range emission band dual-frequency laser polarization modulation |
| spellingShingle |
terahertz range emission band dual-frequency laser polarization modulation Dzyubenko, M. I. Kamenev, Yu. E. Radionov, V. P. DUAL-FREQUENCY TERAHERTZ LASER |
| topic_facet |
terahertz range emission band dual-frequency laser polarization modulation терагерцовий діапазон полоса випромінювання двочастотний лазер поляризаційна модуляція |
| format |
Article |
| author |
Dzyubenko, M. I. Kamenev, Yu. E. Radionov, V. P. |
| author_facet |
Dzyubenko, M. I. Kamenev, Yu. E. Radionov, V. P. |
| author_sort |
Dzyubenko, M. I. |
| title |
DUAL-FREQUENCY TERAHERTZ LASER |
| title_short |
DUAL-FREQUENCY TERAHERTZ LASER |
| title_full |
DUAL-FREQUENCY TERAHERTZ LASER |
| title_fullStr |
DUAL-FREQUENCY TERAHERTZ LASER |
| title_full_unstemmed |
DUAL-FREQUENCY TERAHERTZ LASER |
| title_sort |
dual-frequency terahertz laser |
| title_alt |
ДВОЧАСТОТНИЙ ЛАЗЕР ТЕРАГЕРЦОВОГО ДІАПАЗОНУ |
| description |
Subject and Purpose. The development of the terahertz (THz) frequency range reflects recent progress in radiation sources, in particular, THz (submillimeter) lasers. Heterodyne THz devices require dual-frequency lasers capable of emitting two different THz frequencies simultaneously. This work aims to study the process of radiation generation in THz lasers, spurred by a search for dual-frequency laser sources that can produce two frequencies simultaneously and provide options for separate outputs.Methods and Methodology. The dual-frequency generation is investigated using a three-mirror laser with a resonator formed by a metal mirror on one side of the active element and two output mirrors on the other. The output mirrors are metal gratings arranged so that the conducting bars of one grating are perpendicular to those of the other. Together with the metal mirror, each grating forms a resonator for linearly polarized radiation with the electric field vector directed parallel to the grating conductors. So, the active volume of the laser contains two separate resonators that generate orthogonally polarized radiation beams. Their frequency difference is adjusted within the emission band of the active substance by changing the distance between the gratings. The frequency control employs a custom micrometric mechanism enhanced by the authors. It fine-tunes the mirror position and acts as a wavemeter. The frequency difference is measured using radio frequency devices.Results. The dual-frequency generation was examined using a gas-discharge 337-μm laser. The mode composition of the laser output was identified, evidencing that the investigated laser can simultaneously generate orthogonally polarized radiation of two frequencies. The simultaneous generation of orthogonally polarized laser beams has been demonstrated, with the frequency difference ranging from 60 kHz to 4.5 MHz. A method has been developed to regulate and measure the frequency difference without resorting to electronic frequency-measuring equipment. Notably, when using modes with the same transverse energy distribution, dual-frequency generation does not appear. Instead, given a specific optical length of the resonator, an instant change in the radiation frequency and polarization occurs, providing opportunities to modulate the THz laser radia- tion frequency and polarization. The possibility of pulse-frequency and pulse-polarization modulations of THz laser radiation has been demonstrated.Conclusions. The use of dual-frequency THz lasers will enhance various heterodyne systems in THz technologies. The developed polarization and frequency modulation methods will contribute to the THz telecommunication systems.Keywords: terahertz range; emission band; dual-frequency laser; polarization modulationManuscript submitted 29.04.2025Radio phys. radio astron. 2025, 30(3): 202-210REFERENCES 1. Headland, D., Monnai, Y., Abbott, D., Christophe, F., Withawat, W., 2018. Tutorial: Terahertz beamforming, from concepts to realizations. APL. Photonics, 3(5), 051101. DOI: https://doi.org/10.1063/1.5011063 2. Forbes, A., 2023. Advances in orbital angular momentum lasers. J. Light. Technol., 41(7), pp. 2079—2086. DOI: https://doi.org/10.1109/JLT.2022.3220509 3. Degtyarev, A.V., Dubinin, M.M., Maslov, V.A., Muntean, K.I., Svistunov, O.O., 2024. Free-space propagation of terahertz laser vortex beams. Radio Phys. Radio Astron., 29(2), pp. 127—136 (in Ukrainian). DOI: https://doi.org/10.15407/rpra29.02.127 4. Zhang, R., Cui, Y., Sun, W., Zhang, Y, 2008. Polarization information for terahertz imaging. Appl. Opt., 47(34), pp. 6422— 6427. DOI: https://doi.org/10.1364/AO.47.006422 5. Kosiak, O.S., Bezborodov, V.I., Nesterov, P.K., 2017. Wideband quasi-optical polarization phase shifter operating in the THz frequency range. Telecommunications and Radio Engineering, 76(3), pp. 227—236. DOI: https://doi.org/10.1615/TelecomRadEng.v76.i3.30 6. Bezborodov, V.I., Kiseliov, V.K., Nesterov, P.K., Yanovsky, M.S., 2006. A Terahertz Phase Frequency Changer with the Crys- tal Quartz Phase Sections. Int. J. Infrared Millimeter Waves, 27(5), pp. 725—734. DOI: https://doi.org/10.1007/s10762-006-9110-y 7. Polupanov, V.N., Nesterov, P.K., Yanovsky, M.S., Bezborodov, V.I., 2008. Energy of Processes of Electromagnetic Radiation Parameters Transformation by Quasi-Optic Phase Shifters and Frequency Shifters. Telecommunications and Radio Engi- neering, 67(11), pp. 945—952. DOI: https://doi.org/10.1615/TelecomRadEng.v67.i11.10 8. Nagatsuma, T., Ducournau, G., Renaud, C.C., 2016. Advances in terahertz communications accelerated by photonics. Nat. Photonics, 10(6), pp. 371—379. DOI: https://doi.org/10.1038/nphoton.2016.65 9. Wang, S.S., and, Zhang, X.C., 2004. Pulsed terahertz tomography. J. Phys. D: Appl. Phys., 37(4), R1. DOI: https://doi.org/10.1088/0022-3727/37/4/R01 10. Shen, S., Hao, C., Liang, B., Liu, J., 2024. Terahertz fan-beam computed tomography. Opt. Lett., 49(9), pp. 2481—2484. DOI: https://doi.org/10.1364/OL.523116 11. Nesterov, P.K., 2003. Quasi-Optical Interferometers with Enhanced Phase Sensitivity. Telecommunications and Radio Engineering, 60(3–4), pp. 137–145. DOI: https://doi.org/10.1615/TelecomRadEng.v60.i34.160 12. Dzyubenko, M.I., Kamenev, Yu.Ye., Radionov, V.P., 2017. Terahertz range gas-discharge lasers Part 1: Particularities of lasant excitation. Telecommunications and Radio Engineering, 76(18), pp. 1623—1638. DOI: https://doi.org/10.1615/TelecomRadEng.v76.i18.40 13. Radionov, V.P., Nesterov, P.K., Kiseliov, V.K., 2015. Methods of producing multifrequency generation in the laser terahertz range. Radiophys. Electron., 6(20)(2), pp. 78—82. DOI: https://doi.org/10.15407/rej2015.02.078 14. Hutchinson, I.H., 1981, Polarization modulation of a submillimetre laser. Opt. Commun., 38(3), pp. 201—206. DOI: https://doi.org/10.1016/0030-4018(81)90324-2 15. Rochefort, P.A., Brannen, E., Kucerovsky, Z., 1991. Multiple line and polarization control in a far infrared laser with a com- pound grating resonator. Appl. Opt., 30(9), pp. 1019—1024. DOI: https://doi.org/10.1364/AO.30.001019 16. Marcatilі, E.A.J., and Schmeltzer, R.A., 1964. Hollow metallic and dielectric waveguides for long distance optical transmission and lasers. Bell Syst. Tech. J., 43(4), pp. 1783—1809. DOI: https://doi.org/10.1002/j.1538-7305.1964.tb04108.x |
| publisher |
Видавничий дім «Академперіодика» |
| publishDate |
2025 |
| url |
http://rpra-journal.org.ua/index.php/ra/article/view/1477 |
| work_keys_str_mv |
AT dzyubenkomi dualfrequencyterahertzlaser AT kamenevyue dualfrequencyterahertzlaser AT radionovvp dualfrequencyterahertzlaser AT dzyubenkomi dvočastotnijlazerteragercovogodíapazonu AT kamenevyue dvočastotnijlazerteragercovogodíapazonu AT radionovvp dvočastotnijlazerteragercovogodíapazonu |
| first_indexed |
2025-12-02T15:29:12Z |
| last_indexed |
2025-12-02T15:29:12Z |
| _version_ |
1851757487895609344 |
| spelling |
rpra-journalorgua-article-14772025-09-16T09:32:33Z DUAL-FREQUENCY TERAHERTZ LASER ДВОЧАСТОТНИЙ ЛАЗЕР ТЕРАГЕРЦОВОГО ДІАПАЗОНУ Dzyubenko, M. I. Kamenev, Yu. E. Radionov, V. P. terahertz range; emission band; dual-frequency laser; polarization modulation терагерцовий діапазон; полоса випромінювання; двочастотний лазер; поляризаційна модуляція Subject and Purpose. The development of the terahertz (THz) frequency range reflects recent progress in radiation sources, in particular, THz (submillimeter) lasers. Heterodyne THz devices require dual-frequency lasers capable of emitting two different THz frequencies simultaneously. This work aims to study the process of radiation generation in THz lasers, spurred by a search for dual-frequency laser sources that can produce two frequencies simultaneously and provide options for separate outputs.Methods and Methodology. The dual-frequency generation is investigated using a three-mirror laser with a resonator formed by a metal mirror on one side of the active element and two output mirrors on the other. The output mirrors are metal gratings arranged so that the conducting bars of one grating are perpendicular to those of the other. Together with the metal mirror, each grating forms a resonator for linearly polarized radiation with the electric field vector directed parallel to the grating conductors. So, the active volume of the laser contains two separate resonators that generate orthogonally polarized radiation beams. Their frequency difference is adjusted within the emission band of the active substance by changing the distance between the gratings. The frequency control employs a custom micrometric mechanism enhanced by the authors. It fine-tunes the mirror position and acts as a wavemeter. The frequency difference is measured using radio frequency devices.Results. The dual-frequency generation was examined using a gas-discharge 337-μm laser. The mode composition of the laser output was identified, evidencing that the investigated laser can simultaneously generate orthogonally polarized radiation of two frequencies. The simultaneous generation of orthogonally polarized laser beams has been demonstrated, with the frequency difference ranging from 60 kHz to 4.5 MHz. A method has been developed to regulate and measure the frequency difference without resorting to electronic frequency-measuring equipment. Notably, when using modes with the same transverse energy distribution, dual-frequency generation does not appear. Instead, given a specific optical length of the resonator, an instant change in the radiation frequency and polarization occurs, providing opportunities to modulate the THz laser radia- tion frequency and polarization. The possibility of pulse-frequency and pulse-polarization modulations of THz laser radiation has been demonstrated.Conclusions. The use of dual-frequency THz lasers will enhance various heterodyne systems in THz technologies. The developed polarization and frequency modulation methods will contribute to the THz telecommunication systems.Keywords: terahertz range; emission band; dual-frequency laser; polarization modulationManuscript submitted 29.04.2025Radio phys. radio astron. 2025, 30(3): 202-210REFERENCES 1. Headland, D., Monnai, Y., Abbott, D., Christophe, F., Withawat, W., 2018. Tutorial: Terahertz beamforming, from concepts to realizations. APL. Photonics, 3(5), 051101. DOI: https://doi.org/10.1063/1.5011063 2. Forbes, A., 2023. Advances in orbital angular momentum lasers. J. Light. Technol., 41(7), pp. 2079—2086. DOI: https://doi.org/10.1109/JLT.2022.3220509 3. Degtyarev, A.V., Dubinin, M.M., Maslov, V.A., Muntean, K.I., Svistunov, O.O., 2024. Free-space propagation of terahertz laser vortex beams. Radio Phys. Radio Astron., 29(2), pp. 127—136 (in Ukrainian). DOI: https://doi.org/10.15407/rpra29.02.127 4. Zhang, R., Cui, Y., Sun, W., Zhang, Y, 2008. Polarization information for terahertz imaging. Appl. Opt., 47(34), pp. 6422— 6427. DOI: https://doi.org/10.1364/AO.47.006422 5. Kosiak, O.S., Bezborodov, V.I., Nesterov, P.K., 2017. Wideband quasi-optical polarization phase shifter operating in the THz frequency range. Telecommunications and Radio Engineering, 76(3), pp. 227—236. DOI: https://doi.org/10.1615/TelecomRadEng.v76.i3.30 6. Bezborodov, V.I., Kiseliov, V.K., Nesterov, P.K., Yanovsky, M.S., 2006. A Terahertz Phase Frequency Changer with the Crys- tal Quartz Phase Sections. Int. J. Infrared Millimeter Waves, 27(5), pp. 725—734. DOI: https://doi.org/10.1007/s10762-006-9110-y 7. Polupanov, V.N., Nesterov, P.K., Yanovsky, M.S., Bezborodov, V.I., 2008. Energy of Processes of Electromagnetic Radiation Parameters Transformation by Quasi-Optic Phase Shifters and Frequency Shifters. Telecommunications and Radio Engi- neering, 67(11), pp. 945—952. DOI: https://doi.org/10.1615/TelecomRadEng.v67.i11.10 8. Nagatsuma, T., Ducournau, G., Renaud, C.C., 2016. Advances in terahertz communications accelerated by photonics. Nat. Photonics, 10(6), pp. 371—379. DOI: https://doi.org/10.1038/nphoton.2016.65 9. Wang, S.S., and, Zhang, X.C., 2004. Pulsed terahertz tomography. J. Phys. D: Appl. Phys., 37(4), R1. DOI: https://doi.org/10.1088/0022-3727/37/4/R01 10. Shen, S., Hao, C., Liang, B., Liu, J., 2024. Terahertz fan-beam computed tomography. Opt. Lett., 49(9), pp. 2481—2484. DOI: https://doi.org/10.1364/OL.523116 11. Nesterov, P.K., 2003. Quasi-Optical Interferometers with Enhanced Phase Sensitivity. Telecommunications and Radio Engineering, 60(3–4), pp. 137–145. DOI: https://doi.org/10.1615/TelecomRadEng.v60.i34.160 12. Dzyubenko, M.I., Kamenev, Yu.Ye., Radionov, V.P., 2017. Terahertz range gas-discharge lasers Part 1: Particularities of lasant excitation. Telecommunications and Radio Engineering, 76(18), pp. 1623—1638. DOI: https://doi.org/10.1615/TelecomRadEng.v76.i18.40 13. Radionov, V.P., Nesterov, P.K., Kiseliov, V.K., 2015. Methods of producing multifrequency generation in the laser terahertz range. Radiophys. Electron., 6(20)(2), pp. 78—82. DOI: https://doi.org/10.15407/rej2015.02.078 14. Hutchinson, I.H., 1981, Polarization modulation of a submillimetre laser. Opt. Commun., 38(3), pp. 201—206. DOI: https://doi.org/10.1016/0030-4018(81)90324-2 15. Rochefort, P.A., Brannen, E., Kucerovsky, Z., 1991. Multiple line and polarization control in a far infrared laser with a com- pound grating resonator. Appl. Opt., 30(9), pp. 1019—1024. DOI: https://doi.org/10.1364/AO.30.001019 16. Marcatilі, E.A.J., and Schmeltzer, R.A., 1964. Hollow metallic and dielectric waveguides for long distance optical transmission and lasers. Bell Syst. Tech. J., 43(4), pp. 1783—1809. DOI: https://doi.org/10.1002/j.1538-7305.1964.tb04108.x Предмет і мета досліджень. Освоєння терагерцового (ТГц) діапазону частот потребує розвитку джерел випромінювання, зокрема вдосконалення ТГц (субміліметрових) лазерів. Для гетеродинних ТГц-приладів потрібні лазери, здатні генерувати випромінювання двох частот. Метою роботи є дослідження процесу генерації випромінювання в ТГц-лазерах та створення джерел, здатних одночасно генерувати випромінювання двох частот з можливістю їх окремого виведення.Методи та методологія. Досліджено тридзеркальний лазер, резонатор якого утворено металевим дзеркалом по один бік активного елемента та двома вихідними дзеркалами по інший бік. Вихідні дзеркала виконані у вигляді металевих ґраток з взаємно перпендикулярною орієнтацією провідників. Кожна з ґраток, разом з металевим дзеркалом, утворює резонатор для лінійно поляризованого випромінювання, напрямок вектора електричної напруженості якого паралельний до напрямку провідників. Фактично в одному активному об’ємі лазера розташовані два окремих резонатори, що генерують ортогонально поляризовані пучки випромінювання. Різниця частот регулюється в межах смуги випромінювання активної речовини шляхом зміни відстані між решітками. Контроль частот здійснюється за допомогою вдосконаленого авторами мікрометричного механізму переміщення дзеркала, який виконує функції хвилеміра. Різниця частот вимірюється за допомогою частотовимірювальних приладів радіочастотного діапазону.Результати. Досліджено двочастотний газорозрядний лазер, що працює на лінії випромінювання 337 мкм. Досліджено модовий склад лазерної генерації. Показано, що досліджуваний лазер може одночасно генерувати ортогонально поляризоване випромінювання двох частот. Отримано одночасну генерацію ортогонально поляризованих пучків лазерного випромінювання з різницею частот від 60 кГц до 4.5 МГц. Розроблено методику вимірювання та регулювання різниці частот без застосування електронної частотовимірювальної апаратури. У випадку використання мод з однаковим поперечним енергетичним розподілом замість двочастотної генерації відбувається миттєва зміна частоти і поляризації випромінювання при певній оптичній довжині резонатора. Це дає можливість здійснювати частотну та поляризаційну модуляцію лазерного випромінювання. Показано можливість імпульсно-частотної та імпульсно-поляризаційної модуляції лазерного ТГц-випромінювання.Висновок. Використання двочастотних ТГц-лазерів прискорить розвиток різноманітних гетеродинних систем в ТГц-діапазоні. Розроблені методи поляризаційної та частотної модуляції сприятимуть розвитку телекомунікаційних систем ТГц-діапазону.Ключові слова: терагерцовий діапазон; полоса випромінювання; двочастотний лазер; поляризаційна модуляціяСтаття надійшла до редакції 29.04.2025Radio phys. radio astron. 2025, 30(3): 202-210БІБЛІОГРАФІЧНИЙ СПИСОК 1. Headland D., Monnai Y., Abbott D., Christophe F., Withawat W. Tutorial: Terahertz beamforming, from concepts to realizations. APL. Photonics. 2018. Vol. 3, Iss. 5. 051101. DOI: 10.1063/1.5011063 2. Forbes A. Advances in orbital angular momentum lasers. J. Light. Technol. 2023. Vol. 41, Iss. 7. P. 2079—2086. DOI: 10.1109/ JLT.2022.3220509 3. Дегтярьов A.В., Дубінін М.М., Маслов В.О., Мунтян К.І., Свистунов О.О. Поширення терагерцових вихрових ла- зерних пучків у вільному просторі. Радiофiзика i радiоастрономiя. 2024. Т. 29, № 2. С. 127—136. DOI: 10.15407/ rpra29.02.127 4. Zhang R., Cui Y., Sun W., Zhang Y. Polarization information for terahertz imaging. Appl. Opt. 2008. Vol. 47, Iss. 34. P. 6422— 6427. DOI: 10.1364/AO.47.006422 5. Kosiak O.S., Bezborodov V.I., Nesterov P.K. Widebandquasi-opticalpolarizationphaseshifteroperatinginthe THzfrequency range. Telecommunications and Radio Engineering. 2017. Vol. 76, Iss. 3. P. 227—236. DOI: 10.1615/TelecomRadEng.v76.i3.3 6. Bezborodov V.I., Kiseliov V.K., Nesterov P.K., Yanovsky M.S. A Terahertz Phase Frequency Changer with the Crystal Quartz Phase Sections. Int. J. Infrared Millimeter Waves. 2006. Vol. 27, Iss. 5. P. 725—734. DOI: 10.1007/s10762-006-9110-y 7. Polupanov V.N., Nesterov P.K., Yanovsky M.S., Bezborodov V.I. Energy of Processes of Electromagnetic Radiation Parameters Transformation by Quasi-Optic Phase Shifters and Frequency Shifters. Telecommunications and Radio Engineering. 2008. Vol. 67, Iss. 11. P. 945—952. DOI: 10.1615/TelecomRadEng.v67.i11.10 8. Nagatsuma T., Ducournau G., Renaud C.C. Advances in terahertz communications accelerated by photonics. Nat. Photonics. 2016. Vol. 10, Iss. 6. P. 371—379. DOI: 10.1038/nphoton.2016.65 9. Wang S.S., and Zhang X.C. Pulsed terahertz tomography. J. Phys. D: Appl. Phys. 2004. Vol. 37, Iss. 4. R1. DOI: 10.1088/0022- 3727/37/4/R01 10. Shen S., Hao C., Liang B., Liu J. Terahertz fan-beam computed tomography. Opt. Lett. 2024. Vol. 49, Iss. 9. P. 2481—2484. DOI: 10.1364/OL.523116 11. Nesterov P.K. Quasi-Optical Interferometers with Enhanced Phase Sensitivity. Telecommunications and Radio Engineering.2003. Vol. 60, Iss. 3—4. P. 137—145. 12. Dzyubenko M.I., Kamenev Yu.Ye., Radionov V.P. Terahertz range gas-discharge lasers Part 1: Particularities of lasant excitation. Telecommunications and Radio Engineering. 2017. Vol. 76, Iss. 18. P. 1623—1638. DOI: 10.1615/TelecomRadEng. v76.i18.40 13. Радіонов В.П., Нестеров П.К., Кісельов В.К. Способи отримання багаточастотної генерації в резонаторі лазера терагерцового діапазону. Радіофізика та електроніка. 2015. Т. 6(20), № 2. С. 78—82. DOI: 10.15407/rej2015.02.078 14. Hutchinson I.H. Polarization modulation of a submillimetre laser. Optics Commun. 1981. Vol. 38, Iss. 3. P. 201—206. DOI: 10.1016/0030-4018(81)90324-2 15. Rochefort P.A., Brannen E., Kucerovsky Z. Multiple line and polarization control in a far infrared laser with a compound grating resonator. Appl. Opt. 1991. Vol. 30, Iss. 9. P. 1019—1024. DOI: 10.1364/AO.30.001019 16. Marcatilі E.A.J., and Schmeltzer R.A. Hollow metallic and dielectric waveguides for long distance optical transmission and lasers. Bell S Видавничий дім «Академперіодика» 2025-09-11 Article Article application/pdf http://rpra-journal.org.ua/index.php/ra/article/view/1477 10.15407/rpra30.03.202 РАДИОФИЗИКА И РАДИОАСТРОНОМИЯ; Vol 30, No 3 (2025); 202 RADIO PHYSICS AND RADIO ASTRONOMY; Vol 30, No 3 (2025); 202 РАДІОФІЗИКА І РАДІОАСТРОНОМІЯ; Vol 30, No 3 (2025); 202 2415-7007 1027-9636 10.15407/rpra30.03 uk http://rpra-journal.org.ua/index.php/ra/article/view/1477/pdf Copyright (c) 2025 RADIO PHYSICS AND RADIO ASTRONOMY |