Abstract

We describe a source of terahertz (THz) radiation that is based on Raman down-shifting of an infrared laser beam using highly coherent molecular vibrations. The source can operate in either the pulsed or the continuous wave (CW) regime and is tunable over much of the THz region of the spectrum (1–10 THz). In the pulsed regime, we predict average output powers of order 10 mW and peak powers approaching 1 MW. In the CW regime, average powers exceeding 100 μW with spectral linewidths at the hertz level are achievable.

© 2012 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. M. Tonouchi, Nat. Photonics 1, 97 (2007).
    [CrossRef]
  2. M. Scheller, J. M. Yarborough, J. V. Moloney, M. Fallahi, M. Koch, and S. W. Koch, Opt. Express 18, 27112 (2010).
    [CrossRef]
  3. A. V. Sokolov, M. Y. Shverdin, D. R. Walker, D. D. Yavuz, A. M. Burzo, G. Y. Yin, and S. E. Harris, J. Mod. Opt. 52, 285 (2005).
    [CrossRef]
  4. S. Yoshikawa and T. Imasaka, Opt. Commun. 96, 94 (1993).
    [CrossRef]
  5. J. Q. Liang, M. Katsuragawa, F. Le Kien, and K. Hakuta, Phys. Rev. Lett. 85, 2474 (2000).
    [CrossRef]
  6. W. Chen, Z. Hsieh, S. Huang, H. Su, T. Tang, C. Lin, C. Lee, R. Pan, C. Pan, and A. H. Kung, Phys. Rev. Lett. 100, 163906 (2008).
    [CrossRef]
  7. H. S. Chan, Z. M. Hsieh, W. H. Liang, A. H. Kung, C. K. Lee, C. J. Lai, R. P. Pan, and L. H. Peng, Science 331, 1165(2011).
    [CrossRef]
  8. F. Couny, F. Benabid, and P. S. Light, Phys. Rev. Lett. 99, 143903 (2007).
    [CrossRef]
  9. J. K. Brasseur, K. S. Repasky, and J. L. Carlsten, Opt. Lett. 23, 367 (1998).
    [CrossRef]
  10. D. D. Yavuz, Phys. Rev. A 76, 011805(R) (2007).
    [CrossRef]
  11. J. T. Green, J. J. Weber, and D. D. Yavuz, Phys. Rev. A 82, 011805(R) (2010).
    [CrossRef]
  12. A. V. Sokolov, Scott Sharpe, M. Y. Shverdin, D. R. Walker, D. D. Yavuz, G. Y. Yin, and S. E. Harris, Opt. Lett. 26, 728 (2001).
    [CrossRef]
  13. S. E. Harris and A. V. Sokolov, Phys. Rev. A 55, R4019 (1997).
    [CrossRef]
  14. M. Y. Shverdin, D. D. Yavuz, and D. R. Walker, Phys. Rev. A 69, 031801(R) (2004).
    [CrossRef]
  15. L. S. Meng, J. K. Brasseur, and D. K. Neumann, Opt. Express 13, 10085 (2005).
    [CrossRef]

2011

H. S. Chan, Z. M. Hsieh, W. H. Liang, A. H. Kung, C. K. Lee, C. J. Lai, R. P. Pan, and L. H. Peng, Science 331, 1165(2011).
[CrossRef]

2010

2008

W. Chen, Z. Hsieh, S. Huang, H. Su, T. Tang, C. Lin, C. Lee, R. Pan, C. Pan, and A. H. Kung, Phys. Rev. Lett. 100, 163906 (2008).
[CrossRef]

2007

F. Couny, F. Benabid, and P. S. Light, Phys. Rev. Lett. 99, 143903 (2007).
[CrossRef]

M. Tonouchi, Nat. Photonics 1, 97 (2007).
[CrossRef]

D. D. Yavuz, Phys. Rev. A 76, 011805(R) (2007).
[CrossRef]

2005

A. V. Sokolov, M. Y. Shverdin, D. R. Walker, D. D. Yavuz, A. M. Burzo, G. Y. Yin, and S. E. Harris, J. Mod. Opt. 52, 285 (2005).
[CrossRef]

L. S. Meng, J. K. Brasseur, and D. K. Neumann, Opt. Express 13, 10085 (2005).
[CrossRef]

2004

M. Y. Shverdin, D. D. Yavuz, and D. R. Walker, Phys. Rev. A 69, 031801(R) (2004).
[CrossRef]

2001

2000

J. Q. Liang, M. Katsuragawa, F. Le Kien, and K. Hakuta, Phys. Rev. Lett. 85, 2474 (2000).
[CrossRef]

1998

1997

S. E. Harris and A. V. Sokolov, Phys. Rev. A 55, R4019 (1997).
[CrossRef]

1993

S. Yoshikawa and T. Imasaka, Opt. Commun. 96, 94 (1993).
[CrossRef]

Benabid, F.

F. Couny, F. Benabid, and P. S. Light, Phys. Rev. Lett. 99, 143903 (2007).
[CrossRef]

Brasseur, J. K.

Burzo, A. M.

A. V. Sokolov, M. Y. Shverdin, D. R. Walker, D. D. Yavuz, A. M. Burzo, G. Y. Yin, and S. E. Harris, J. Mod. Opt. 52, 285 (2005).
[CrossRef]

Carlsten, J. L.

Chan, H. S.

H. S. Chan, Z. M. Hsieh, W. H. Liang, A. H. Kung, C. K. Lee, C. J. Lai, R. P. Pan, and L. H. Peng, Science 331, 1165(2011).
[CrossRef]

Chen, W.

W. Chen, Z. Hsieh, S. Huang, H. Su, T. Tang, C. Lin, C. Lee, R. Pan, C. Pan, and A. H. Kung, Phys. Rev. Lett. 100, 163906 (2008).
[CrossRef]

Couny, F.

F. Couny, F. Benabid, and P. S. Light, Phys. Rev. Lett. 99, 143903 (2007).
[CrossRef]

Fallahi, M.

Green, J. T.

J. T. Green, J. J. Weber, and D. D. Yavuz, Phys. Rev. A 82, 011805(R) (2010).
[CrossRef]

Hakuta, K.

J. Q. Liang, M. Katsuragawa, F. Le Kien, and K. Hakuta, Phys. Rev. Lett. 85, 2474 (2000).
[CrossRef]

Harris, S. E.

A. V. Sokolov, M. Y. Shverdin, D. R. Walker, D. D. Yavuz, A. M. Burzo, G. Y. Yin, and S. E. Harris, J. Mod. Opt. 52, 285 (2005).
[CrossRef]

A. V. Sokolov, Scott Sharpe, M. Y. Shverdin, D. R. Walker, D. D. Yavuz, G. Y. Yin, and S. E. Harris, Opt. Lett. 26, 728 (2001).
[CrossRef]

S. E. Harris and A. V. Sokolov, Phys. Rev. A 55, R4019 (1997).
[CrossRef]

Hsieh, Z.

W. Chen, Z. Hsieh, S. Huang, H. Su, T. Tang, C. Lin, C. Lee, R. Pan, C. Pan, and A. H. Kung, Phys. Rev. Lett. 100, 163906 (2008).
[CrossRef]

Hsieh, Z. M.

H. S. Chan, Z. M. Hsieh, W. H. Liang, A. H. Kung, C. K. Lee, C. J. Lai, R. P. Pan, and L. H. Peng, Science 331, 1165(2011).
[CrossRef]

Huang, S.

W. Chen, Z. Hsieh, S. Huang, H. Su, T. Tang, C. Lin, C. Lee, R. Pan, C. Pan, and A. H. Kung, Phys. Rev. Lett. 100, 163906 (2008).
[CrossRef]

Imasaka, T.

S. Yoshikawa and T. Imasaka, Opt. Commun. 96, 94 (1993).
[CrossRef]

Katsuragawa, M.

J. Q. Liang, M. Katsuragawa, F. Le Kien, and K. Hakuta, Phys. Rev. Lett. 85, 2474 (2000).
[CrossRef]

Koch, M.

Koch, S. W.

Kung, A. H.

H. S. Chan, Z. M. Hsieh, W. H. Liang, A. H. Kung, C. K. Lee, C. J. Lai, R. P. Pan, and L. H. Peng, Science 331, 1165(2011).
[CrossRef]

W. Chen, Z. Hsieh, S. Huang, H. Su, T. Tang, C. Lin, C. Lee, R. Pan, C. Pan, and A. H. Kung, Phys. Rev. Lett. 100, 163906 (2008).
[CrossRef]

Lai, C. J.

H. S. Chan, Z. M. Hsieh, W. H. Liang, A. H. Kung, C. K. Lee, C. J. Lai, R. P. Pan, and L. H. Peng, Science 331, 1165(2011).
[CrossRef]

Le Kien, F.

J. Q. Liang, M. Katsuragawa, F. Le Kien, and K. Hakuta, Phys. Rev. Lett. 85, 2474 (2000).
[CrossRef]

Lee, C.

W. Chen, Z. Hsieh, S. Huang, H. Su, T. Tang, C. Lin, C. Lee, R. Pan, C. Pan, and A. H. Kung, Phys. Rev. Lett. 100, 163906 (2008).
[CrossRef]

Lee, C. K.

H. S. Chan, Z. M. Hsieh, W. H. Liang, A. H. Kung, C. K. Lee, C. J. Lai, R. P. Pan, and L. H. Peng, Science 331, 1165(2011).
[CrossRef]

Liang, J. Q.

J. Q. Liang, M. Katsuragawa, F. Le Kien, and K. Hakuta, Phys. Rev. Lett. 85, 2474 (2000).
[CrossRef]

Liang, W. H.

H. S. Chan, Z. M. Hsieh, W. H. Liang, A. H. Kung, C. K. Lee, C. J. Lai, R. P. Pan, and L. H. Peng, Science 331, 1165(2011).
[CrossRef]

Light, P. S.

F. Couny, F. Benabid, and P. S. Light, Phys. Rev. Lett. 99, 143903 (2007).
[CrossRef]

Lin, C.

W. Chen, Z. Hsieh, S. Huang, H. Su, T. Tang, C. Lin, C. Lee, R. Pan, C. Pan, and A. H. Kung, Phys. Rev. Lett. 100, 163906 (2008).
[CrossRef]

Meng, L. S.

Moloney, J. V.

Neumann, D. K.

Pan, C.

W. Chen, Z. Hsieh, S. Huang, H. Su, T. Tang, C. Lin, C. Lee, R. Pan, C. Pan, and A. H. Kung, Phys. Rev. Lett. 100, 163906 (2008).
[CrossRef]

Pan, R.

W. Chen, Z. Hsieh, S. Huang, H. Su, T. Tang, C. Lin, C. Lee, R. Pan, C. Pan, and A. H. Kung, Phys. Rev. Lett. 100, 163906 (2008).
[CrossRef]

Pan, R. P.

H. S. Chan, Z. M. Hsieh, W. H. Liang, A. H. Kung, C. K. Lee, C. J. Lai, R. P. Pan, and L. H. Peng, Science 331, 1165(2011).
[CrossRef]

Peng, L. H.

H. S. Chan, Z. M. Hsieh, W. H. Liang, A. H. Kung, C. K. Lee, C. J. Lai, R. P. Pan, and L. H. Peng, Science 331, 1165(2011).
[CrossRef]

Repasky, K. S.

Scheller, M.

Sharpe, Scott

Shverdin, M. Y.

A. V. Sokolov, M. Y. Shverdin, D. R. Walker, D. D. Yavuz, A. M. Burzo, G. Y. Yin, and S. E. Harris, J. Mod. Opt. 52, 285 (2005).
[CrossRef]

M. Y. Shverdin, D. D. Yavuz, and D. R. Walker, Phys. Rev. A 69, 031801(R) (2004).
[CrossRef]

A. V. Sokolov, Scott Sharpe, M. Y. Shverdin, D. R. Walker, D. D. Yavuz, G. Y. Yin, and S. E. Harris, Opt. Lett. 26, 728 (2001).
[CrossRef]

Sokolov, A. V.

A. V. Sokolov, M. Y. Shverdin, D. R. Walker, D. D. Yavuz, A. M. Burzo, G. Y. Yin, and S. E. Harris, J. Mod. Opt. 52, 285 (2005).
[CrossRef]

A. V. Sokolov, Scott Sharpe, M. Y. Shverdin, D. R. Walker, D. D. Yavuz, G. Y. Yin, and S. E. Harris, Opt. Lett. 26, 728 (2001).
[CrossRef]

S. E. Harris and A. V. Sokolov, Phys. Rev. A 55, R4019 (1997).
[CrossRef]

Su, H.

W. Chen, Z. Hsieh, S. Huang, H. Su, T. Tang, C. Lin, C. Lee, R. Pan, C. Pan, and A. H. Kung, Phys. Rev. Lett. 100, 163906 (2008).
[CrossRef]

Tang, T.

W. Chen, Z. Hsieh, S. Huang, H. Su, T. Tang, C. Lin, C. Lee, R. Pan, C. Pan, and A. H. Kung, Phys. Rev. Lett. 100, 163906 (2008).
[CrossRef]

Tonouchi, M.

M. Tonouchi, Nat. Photonics 1, 97 (2007).
[CrossRef]

Walker, D. R.

A. V. Sokolov, M. Y. Shverdin, D. R. Walker, D. D. Yavuz, A. M. Burzo, G. Y. Yin, and S. E. Harris, J. Mod. Opt. 52, 285 (2005).
[CrossRef]

M. Y. Shverdin, D. D. Yavuz, and D. R. Walker, Phys. Rev. A 69, 031801(R) (2004).
[CrossRef]

A. V. Sokolov, Scott Sharpe, M. Y. Shverdin, D. R. Walker, D. D. Yavuz, G. Y. Yin, and S. E. Harris, Opt. Lett. 26, 728 (2001).
[CrossRef]

Weber, J. J.

J. T. Green, J. J. Weber, and D. D. Yavuz, Phys. Rev. A 82, 011805(R) (2010).
[CrossRef]

Yarborough, J. M.

Yavuz, D. D.

J. T. Green, J. J. Weber, and D. D. Yavuz, Phys. Rev. A 82, 011805(R) (2010).
[CrossRef]

D. D. Yavuz, Phys. Rev. A 76, 011805(R) (2007).
[CrossRef]

A. V. Sokolov, M. Y. Shverdin, D. R. Walker, D. D. Yavuz, A. M. Burzo, G. Y. Yin, and S. E. Harris, J. Mod. Opt. 52, 285 (2005).
[CrossRef]

M. Y. Shverdin, D. D. Yavuz, and D. R. Walker, Phys. Rev. A 69, 031801(R) (2004).
[CrossRef]

A. V. Sokolov, Scott Sharpe, M. Y. Shverdin, D. R. Walker, D. D. Yavuz, G. Y. Yin, and S. E. Harris, Opt. Lett. 26, 728 (2001).
[CrossRef]

Yin, G. Y.

A. V. Sokolov, M. Y. Shverdin, D. R. Walker, D. D. Yavuz, A. M. Burzo, G. Y. Yin, and S. E. Harris, J. Mod. Opt. 52, 285 (2005).
[CrossRef]

A. V. Sokolov, Scott Sharpe, M. Y. Shverdin, D. R. Walker, D. D. Yavuz, G. Y. Yin, and S. E. Harris, Opt. Lett. 26, 728 (2001).
[CrossRef]

Yoshikawa, S.

S. Yoshikawa and T. Imasaka, Opt. Commun. 96, 94 (1993).
[CrossRef]

J. Mod. Opt.

A. V. Sokolov, M. Y. Shverdin, D. R. Walker, D. D. Yavuz, A. M. Burzo, G. Y. Yin, and S. E. Harris, J. Mod. Opt. 52, 285 (2005).
[CrossRef]

Nat. Photonics

M. Tonouchi, Nat. Photonics 1, 97 (2007).
[CrossRef]

Opt. Commun.

S. Yoshikawa and T. Imasaka, Opt. Commun. 96, 94 (1993).
[CrossRef]

Opt. Express

Opt. Lett.

Phys. Rev. A

D. D. Yavuz, Phys. Rev. A 76, 011805(R) (2007).
[CrossRef]

J. T. Green, J. J. Weber, and D. D. Yavuz, Phys. Rev. A 82, 011805(R) (2010).
[CrossRef]

S. E. Harris and A. V. Sokolov, Phys. Rev. A 55, R4019 (1997).
[CrossRef]

M. Y. Shverdin, D. D. Yavuz, and D. R. Walker, Phys. Rev. A 69, 031801(R) (2004).
[CrossRef]

Phys. Rev. Lett.

J. Q. Liang, M. Katsuragawa, F. Le Kien, and K. Hakuta, Phys. Rev. Lett. 85, 2474 (2000).
[CrossRef]

W. Chen, Z. Hsieh, S. Huang, H. Su, T. Tang, C. Lin, C. Lee, R. Pan, C. Pan, and A. H. Kung, Phys. Rev. Lett. 100, 163906 (2008).
[CrossRef]

F. Couny, F. Benabid, and P. S. Light, Phys. Rev. Lett. 99, 143903 (2007).
[CrossRef]

Science

H. S. Chan, Z. M. Hsieh, W. H. Liang, A. H. Kung, C. K. Lee, C. J. Lai, R. P. Pan, and L. H. Peng, Science 331, 1165(2011).
[CrossRef]

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (3)

Fig. 1.
Fig. 1.

(a) Energy level diagram of our proposal. Intense pump (EP) and Stokes (ES) beams prepare the molecules into a highly coherent state. The established coherence then mixes with a separate infrared mixing beam (EM) to produce the long-wavelength THz radiation (ET). (b) Pulsed THz source. Q-switched pump, Stokes, and mixing laser beams are loosely focused to a Raman cell in order to produce the THz wave. (c) CW THz source. The molecules are placed in a cavity with a high finesse at the pump and the Stokes wavelengths. The mixing beam passes through the system only once and produces the CW THz wave.

Fig. 2.
Fig. 2.

Conversion efficiency from the mixing beam to the generated THz beam for (a) pulsed and (b) CW molecular excitation. The simulation is performed by assuming experimental parameters that are currently achievable using state-of-the-art laser technology. See text for details.

Fig. 3.
Fig. 3.

THz intensity along one of the transverse coordinates IT(x,y=0,z). The inset shows the intensity at the end of the cell (the top of the two-dimensional false-color plot) as a function of one of the transverse coordinates. For comparison, a Gaussian intensity profile with the same width is also plotted (dashed line).

Equations (2)

Equations on this page are rendered with MathJax. Learn more.

ETz+j2k(2ETx2+2ETy2)=jηωN(aρ11ET+dρ22ET+bρ12EM),
ρ11=cos2(θ2);ρ22=sin2(θ2),ρ12=(12sinθ)exp(jφ).

Metrics