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《天津大学》 2011年
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基于非线性光学方法产生高功率THz波辐射源的研究

李忠洋  
【摘要】:THz波在成像、材料检测、环境监测、通信、天文学、生命科学、国防安全等领域均有重大的科学研究价值和广阔的应用前景。基于受激电磁耦子散射的可调谐THz波参量振荡器(TPO)具有效率高、相干性好、可调谐、窄线宽、结构紧凑、室温运转等特点。基于原子在禁戒跃迁能级间的最大相干性频率下转换产生THz波的方法具有高能量、量子转换效率高等特点。本文主要研究基于受激电磁耦子散射和基于原子在禁戒跃迁能级间最大相干性的THz波辐射源。 本文的主要创新点可以归纳如下: 1.分析了双离子立方晶体、双离子单轴晶体、多原子单轴晶体中电磁耦子的色散关系。研究了LiNbO_3晶体中受激电磁耦子散射过程中的三波互作用理论。根据THz波在增益介质中的增益和吸收表达式,利用脉冲激光器谐振腔理论,推导了TPO阈值表达式。分析了准相位匹配TPO的调谐输出特性,设计了准相位匹配内腔TPO,实现了泵浦光、Stokes光、THz波三者共线传输。 2.利用硅棱镜耦合输出TPO得到了有效的THz波输出。实验中得到THz波的频率调谐范围为0.95-2.1THz,THz波平均功率为580nW,能量转换效率为5.74×10-7。双块LiNbO_3晶体浅表垂直出射TPO实验中,当THz波频率为1.84THz,泵浦能量为80mJ时,产生的THz波强度为1932V。当泵浦能量足够强时,我们观察到了三阶Stokes光辐射。单块大体积LiNbO_3晶体浅表垂直出射TPO实验中,当THz波频率为1.75THz,泵浦光能量为94mJ时,产生的THz波的强度为9.12μW,对应THz波能量转换效率为9.7×10~(-6)。其中THz波的输出功率在国内处于领先水平,在国际上处于先进水平。 3.基于受激电磁耦子散射产生THz波的理论,计算了闪锌矿结构晶体中参量振荡产生可调谐THz波的相位匹配特性和增益特性。计算结果为基于闪锌矿结构晶体参量振荡产生THz波提供了深入和全面的理论基础。 4.推导了电磁感应透明过程中晶体的线性极化率和非线性极化率的表达式。根据电磁感应透明理论,推导了在具有长寿命自旋相干固体介质中电磁感应透明阈值表达式及电磁感应透明线宽表达式。基于电磁感应透明过程中非线性极化率增强理论,推导了在紫翠宝石晶体中基于原子在禁戒跃迁能级间的最大相干性频率下转换产生THz波的理论。
【学位授予单位】:天津大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TN248

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【参考文献】
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