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《中国科学院大学(中国科学院物理研究所)》 2017年
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单斜晶体BaGa_4Se_7在光激发下的THz辐射

王博  
【摘要】:晶体材料对电磁场的响应可以分为来自晶格和电子的贡献,由介电常数e和非线性极化率c来描述,它们一般是频率的函数,其空间各向异性响应由晶体结构的对称性决定。由于晶格振动的特征能量为毫电子伏量级,落在太赫兹频率区间,晶格对电磁场响应的贡献要远大于光频下的情况,这也是很多晶体在太赫兹频率的折射率和吸收高于光频下数值的原因。因此,利用太赫兹光谱分析来研究和晶格振动有关的电磁场传播现象和非线性相互作用过程具有独特的优势。与常用的立方晶系晶体或者单轴晶体相比,单斜晶体的二阶介电张量e在考虑吸收时表示为一个复对称矩阵,不能通过空间转动来对角化,因而也不能用折射率椭球来描述电磁场在其中的传播行为,其非线性响应也更为复杂。这一事实极大地限制了对单斜晶体线性和非线性光学性质的研究以及在光电子学中的应用。尤其在太赫兹频率波段,晶格的吸收一般总是存在,导致单斜晶体在太赫兹频率下光学性质和非线性响应的研究基本上一直是缺失的。单斜晶体BaGa_4Se_7(BGS)是近年发展的一种新型非线性光学材料,具有优异的红外非线性响应,在太赫兹频率也有很多晶格振动模式。对BGS晶体通过非线性光学过程产生THz波的研究不但有利于太赫兹源的开发,研究晶体中晶格与电磁场的相互作用,还可提供测量和表征单斜晶体二阶非线性极化率χ(#)的方法和技术。本论文通过测量和分析单斜晶体BaGa_4Se_7在近红外飞秒脉冲激光激发下的THz辐射来探究单斜晶体的二阶非线性光学性质,主要研究内容和取得的结果如下:(1)测量了BaGaSe晶体的偏振拉曼散射谱并分析了相关的晶格振动模式。(1)测量了BaGa_4Se_7晶体的偏振拉曼散射谱并分析了相关的晶格振动模式。在2.6 THz附近和6.0 THz附近的声子频率具有明显的方向色散,说明这些模式的晶格振动携带可以观察到的电偶极矩,能够耦合电磁波形成声子极化激元,影响晶体的光学性质。(2)推导了电磁波在单斜晶体中传播的本征模式,它们是主轴方向相互垂直、手性和椭圆率相同的椭圆偏振光,主轴方向和椭圆率均有明显的色散特征。利用偏振灵敏的时域太赫兹系统在透射测量方式下提取了BaGa_4Se_7晶体的复介电张量,求得了THz波的两个本征模在晶体中传播的折射率和消光系数,为进一步分析通过光学非线性过程产生THz辐射的物理过程提供了必要条件。(3)用太赫兹偏振测量系统测量了在800 nm光学激发下BaGa4Se7晶体产生的THz电场和偏振态,分析了涉及晶格振动的二阶非线性极化张量,用二阶非线性光学差频产生模型推导了晶体产生THz电场的表达式,给出了提取二阶非线性极化张量的方法,讨论了所产生的THz电场对晶体厚度不敏感的可能机制。
【学位授予单位】:中国科学院大学(中国科学院物理研究所)
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:O734;O441.4

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