新型太赫茲參量源研究.pdf

1、太赫茲波是處于微波與紅外光波段之間的電磁輻射波，它具有很多獨特的性質(zhì)，在無損檢測、成像、環(huán)境監(jiān)測、通信、國防安全等領(lǐng)域具有廣闊的應用前景，并且在物理、生命科學、化學等基礎研究領(lǐng)域都有十分重要的研究價值。太赫茲技術(shù)的應用與發(fā)展離不開優(yōu)秀太赫茲輻射波，基于非線性晶體受激電磁耦子散射過程的太赫茲參量源具有很多優(yōu)點，如高峰值功率、可連續(xù)調(diào)諧、時間和空間相干性好、室溫工作、結(jié)構(gòu)簡單、易于操作等，在近二十多年來備受世界科研工作者的關(guān)注。為了更加滿足

2、實際的應用，太赫茲參量源發(fā)展了不同的工作方式，如太赫茲參量產(chǎn)生器，能夠產(chǎn)生寬譜的、高能量的太赫茲輻射波;太赫茲參量振蕩器能夠?qū)崿F(xiàn)窄線寬、可連續(xù)調(diào)諧的太赫茲輻射源;種子注入的太赫茲參量源可以進一步提純太赫茲波的光譜，使之在太赫茲光譜成像與分析中具有更高的光譜分辨率。
　　然而，太赫茲參量源的轉(zhuǎn)化效率和耦合效率低，非線性晶體單一，只有LiNbO3、MgO∶LiNbO3被廣泛地使用，它們的抗光損傷閾值低，本論文的主要研究內(nèi)容有四部分:第

3、一，基于速率方程和耦合波方程建立了太赫茲參量振蕩過程的理論模型;第二，設計了板條結(jié)構(gòu)的MgO∶LiNbO3晶體，獲得了多束太赫茲波同時輸出，提高了耦合輸出效率;第三，研究了基于新材料KTiOPO4(KTP)和KTiOAsO4(KTP)晶體的太赫茲參量振蕩器;第四，對高萊探測器建立了理論模型，并通過實驗進行了驗證，并分析了其脈沖響應度。具體研究內(nèi)容如下:
　　1.通過描述非線性光學過程的耦合波方程和描述激光運轉(zhuǎn)的速率方程相結(jié)合，推導

4、出外腔泵浦的太赫茲參量振蕩器的理論模型，由于泵浦光、斯托克斯光和太赫茲波在空間上是非共線相位匹配，不同與一般的二階和三階過程，如參量振蕩器、拉曼激光器等，因此在太赫茲增益方向上考慮了其光強的空間分布，使得理論模型更加符合實際情況。以基于MgO∶LiNbO3晶體的太赫茲參量振蕩器為例，進行了理論計算，分析了不同諧振腔透過率時，太赫茲參量振蕩器中的斯托克斯光和太赫茲波的輸出特性，對太赫茲參量源的設計提供了一定的理論依據(jù)，并通過基于MgO∶L

5、iNbO3晶體的太赫茲參量振蕩器對理論模型進行了實驗驗證，通過改變斯托克斯光諧振腔的輸出鏡的透過率T約為20％，40％，60％和80％，研究了太赫茲波和斯托克斯光的輸入輸出特性，泵浦功率固定在87.5 mJ時，T=20％的太赫茲波輸出能量最大約為746 nJ。
　　2.設計了一種板條結(jié)構(gòu)的晶體，使斯托克斯光發(fā)生多次全發(fā)射，太赫茲波能夠從這些全反射位置獲得輸出，提高了耦合輸出效率，在實驗中獲得了5束太赫茲波輸出，總能量相對于傳統(tǒng)的太

6、赫茲參量源輸出能量提高了3.56倍，并發(fā)現(xiàn)在表面垂直發(fā)射的太赫茲參量振蕩器中輸出的太赫茲光斑在水平方向上是不對稱分布的，在豎直方向上是對稱分布的，并對其進行了定性分析。
　　3.分析了KTP晶體在太赫茲波段的晶體特性，通過理論計算出KTP晶體在太赫茲波段的色散曲線。根據(jù)太赫茲參量過程中的相位匹配關(guān)系，設計了表面垂直發(fā)射的KTP晶體，并實現(xiàn)了基于KTP晶體的表面表面發(fā)射的太赫茲參量振蕩器。在太赫茲參量振蕩過程中，斯托克斯光沿著晶體的

7、x軸形成激光振蕩，泵浦光與x軸成小角度θext入射，泵浦光、斯托克斯光和太赫茲波的偏振方向均沿著晶體的z軸。在5.72 THz處獲得最大能量為336 nJ，當θext從1.250°到6.000°變化時，獲得的太赫茲波的可調(diào)諧范圍為3.17到6.13 THz，然而由于其它橫向光學聲子模134 cm-1和178.7 cm-1的存在，使得調(diào)諧范圍并不連續(xù)，出現(xiàn)了兩個頻率間隙，分別從3.44 THz到4.19 THz和5.19 THz到5.55

8、 THz。
　　4.分析了KTP晶體在太赫茲波段的晶體特性，通過實驗獲得了KTA晶體在受激電磁耦子散射過程中的非共線相位匹配條件。設計了表面垂直發(fā)射的KTA晶體，并實現(xiàn)了基于KTA晶體的表面表面發(fā)射的太赫茲參量振蕩器。在太赫茲參量振蕩過程中，斯托克斯光沿著晶體的x軸形成激光振蕩，泵浦光與x軸成小角度θext入射，泵浦光、斯托克斯光和太赫茲波的偏振方向均沿著晶體的z軸，在4.72 THz處獲得最大能量為522 nJ，當θext從1.

9、875°到6.500°變化時，獲得的太赫茲波的可調(diào)諧范圍為3.59到6.43 THz，然而由于其它橫向光學聲子模132.9 cm-1、156.3 cm-1、175.1 cm-1和188.4 cm-1的存在，使得調(diào)諧范圍不連續(xù)，出現(xiàn)了四個頻率間隙，分別從3.97 THz到4.20 THz、4.51 THz到4.89 THz、5.17 THz到5.61 THz和5.67 THz到5.91 THz。
　　5.根據(jù)高萊探測器的熱動力學過程

10、，建立了高萊探測器的頻率傳遞函數(shù)(FTF)，頻率傳遞函數(shù)描述了高萊探測器的輸入輸出關(guān)系，它可以表示為高萊探測器的兩個時間參數(shù)τ1和τ2以及與入射波長有關(guān)的參數(shù)K的函數(shù)。利用1064 nm激光作為高萊探測器的入射信號，通過實驗確定了高萊探測的兩個時間參量和在1064 nm處的參數(shù)K的值。
　　6.根據(jù)高萊探測器的頻率傳遞函數(shù)，計算出高萊探測器對窄脈沖的脈沖響應波形和脈沖響應度Rp。對于脈沖能量為E，脈沖寬度遠小于高萊探測器響應時間的

11、入射光脈沖，高萊探測器的有效響應電壓u為從脈沖開始到響應波形的峰值之間的電壓差，那么脈沖響應度為Rp=u/E，其值的大小為(1/τ1-1/τ2)K,與入射光脈沖的重復頻率和脈沖寬度無關(guān)。
　　本論文的主要創(chuàng)新點如下:
　　1.通過描述非線性光學過程的耦合波方程和描述激光運轉(zhuǎn)的速率方程相結(jié)合，推導出外腔泵浦的太赫茲參量振蕩器的理論模型，并首次考慮了太赫茲波、泵浦光和斯托克斯光的空間分布，使得理論模型更加符合實際情況。
　

12、　2.首次設計了一種板條結(jié)構(gòu)的晶體，使斯托克斯光發(fā)生多次全發(fā)射，太赫茲波能夠從這些全反射位置獲得輸出，在實驗中獲得了5束太赫茲波輸出，總能量相對于傳統(tǒng)的太赫茲參量源輸出能量提高了3.56倍。
　　3.首次在KTP晶體中實現(xiàn)了表面垂直發(fā)射的太赫茲參量振蕩器，其角度調(diào)諧范圍分為不連續(xù)的三段，分別為3.17 THz到3.44 THz，4.19 THz到5.19 THz和5.55 THz到6.13 THz，當泵浦能量為80 mJ時，在5.

13、72 THz處獲得最大太赫茲脈沖能量為336 nJ。
　　4.首次在KTA晶體中實現(xiàn)了表面垂直發(fā)射的太赫茲參量振蕩器，其角度調(diào)諧范圍分為不連續(xù)的三段，分別為3.59 THz到3.96 THz，4.21 THz到4.50 THz、4.90 THz到5.16 THz、5.62 THz到5.66 THz和5.92到6.43 THz，當泵浦能量為100 mJ時，在4.72 THz處獲得最大太赫茲脈沖能量為522 nJ.
　　5.根據(jù)