高平均功率小型化超快THz辐射源

【摘要】：超快THz技术有望在未来的基础科学研究、国土安全和生物医疗等众多领域发挥重要作用,而紧凑、稳定的高功率超快THz辐射源则是实现这些应用的关键。 本论文致力于实现一种体积紧凑、结构简单、成本低廉、运转稳定的高平均功率超快THz辐射源。围绕光学整流方法产生超快THz波过程中诸多影响转换效率的因素,优化了实验系统,依托光子晶体光纤飞秒激光技术,实现了紧凑的高平均功率超快THz辐射源;同时研究了在高功率运转条件下与THz波产生伴生的各种非线性过程,设计了新型的THz发射器。论文主要工作如下: 1、详细分析了飞秒激光脉冲通过光学整流在非线性晶体中产生超快THz波过程中各种影响转换效率的因素,使用高功率的全光子晶体光纤飞秒激光系统作为THz波的激发源,采用单级放大结构,充分利用放大级增益光纤的色散效应省掉CPA的脉冲展宽器,缩小了系统的体积,利用SPM效应展宽光谱,获得很窄的脉冲,系统运转稳定。 2、系统研究了本征GaP晶体的非线性特性。运用Z-scan方法测量了GaP晶体的非线性折射率系数;首次判定了其在1040 nm飞秒激光泵浦条件下非线性吸收的类型为三光子吸收,测量了其非线性吸收系数;测量了晶体表面飞秒激光损伤阈值;研究了GaP晶体的二次谐波和三次谐波特性。 3、搭建紧凑的THz波源,选用3 mm厚的GaP晶体作为发射器,首先使用THz-TDS优化晶体发射角、泵光脉宽、泵浦光斑面积等参数,再使用Golay-cell探测器在室温下测量功率指标,优化后的系统辐射出163μW高平均功率高重复频率的超快THz波,为使用普通光纤飞秒放大器作为泵源结果的25倍。 4、利用等效折射率渐变原理设计了具有棱锥型微结构增透层的块状THz发射器,通过实验证明这种发射器对产生的THz波耦合输出效率更高,且微结构面能有效散射剩余泵浦光,利于系统的运转。 5、通过调节泵浦光脉冲宽度实现了THz频谱调谐,输出的THz脉冲频谱陡峭,调谐手段非常方便;设计了矩形波导结构的发射器阵列,以实现输出大范围连续可调的超快THz脉冲;以GaP为材质,理论分析和设计了具有光子晶体结构的波导型THz发射器,优化了相位匹配条件,增加了相干长度,并可通过结构的设计实现对THz发射频带的调谐。