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新型太赫兹参量源研究

王伟涛  
【摘要】:太赫兹波是处于微波与红外光波段之间的电磁辐射波,它具有很多独特的性质,在无损检测、成像、环境监测、通信、国防安全等领域具有广阔的应用前景,并且在物理、生命科学、化学等基础研究领域都有十分重要的研究价值。太赫兹技术的应用与发展离不开优秀太赫兹辐射波,基于非线性晶体受激电磁耦子散射过程的太赫兹参量源具有很多优点,如高峰值功率、可连续调谐、时间和空间相干性好、室温工作、结构简单、易于操作等,在近二十多年来备受世界科研工作者的关注。为了更加满足实际的应用,太赫兹参量源发展了不同的工作方式,如太赫兹参量产生器,能够产生宽谱的、高能量的太赫兹辐射波;太赫兹参量振荡器能够实现窄线宽、可连续调谐的太赫兹辐射源;种子注入的太赫兹参量源可以进一步提纯太赫兹波的光谱,使之在太赫兹光谱成像与分析中具有更高的光谱分辨率。然而,太赫兹参量源的转化效率和耦合效率低,非线性晶体单一,只有LiNbO3、 MgO:LiNbO3被广泛地使用,它们的抗光损伤阈值低,本论文的主要研究内容有四部分:第一,基于速率方程和耦合波方程建立了太赫兹参量振荡过程的理论模型;第二,设计了板条结构的MgO:LiNbO3晶体,获得了多束太赫兹波同时输出,提高了耦合输出效率;第三,研究了基于新材料KTiOPO4 (KTP)和KTiOAsO4 (KTP)晶体的太赫兹参量振荡器;第四,对高莱探测器建立了理论模型,并通过实验进行了验证,并分析了其脉冲响应度。具体研究内容如下:1.通过描述非线性光学过程的耦合波方程和描述激光运转的速率方程相结合,推导出外腔泵浦的太赫兹参量振荡器的理论模型,由于泵浦光、斯托克斯光和太赫兹波在空间上是非共线相位匹配,不同与一般的二阶和三阶过程,如参量振荡器、拉曼激光器等,因此在太赫兹增益方向上考虑了其光强的空间分布,使得理论模型更加符合实际情况。以基于MgO:LiNbO3晶体的太赫兹参量振荡器为例,进行了理论计算,分析了不同谐振腔透过率时,太赫兹参量振荡器中的斯托克斯光和太赫兹波的输出特性,对太赫兹参量源的设计提供了一定的理论依据,并通过基于MgO:LiNbO3晶体的太赫兹参量振荡器对理论模型进行了实验验证,通过改变斯托克斯光谐振腔的输出镜的透过率T约为20%,40%,60%和80%,研究了太赫兹波和斯托克斯光的输入输出特性,泵浦功率固定在87.5 mJ时,T=20%的太赫兹波输出能量最大约为746 nJ。2.设计了一种板条结构的晶体,使斯托克斯光发生多次全发射,太赫兹波能够从这些全反射位置获得输出,提高了耦合输出效率,在实验中获得了5束太赫兹波输出,总能量相对于传统的太赫兹参量源输出能量提高了3.56倍,并发现在表面垂直发射的太赫兹参量振荡器中输出的太赫兹光斑在水平方向上是不对称分布的,在竖直方向上是对称分布的,并对其进行了定性分析。3.分析了KTP晶体在太赫兹波段的晶体特性,通过理论计算出KTP晶体在太赫兹波段的色散曲线。根据太赫兹参量过程中的相位匹配关系,设计了表面垂直发射的KTP晶体,并实现了基于KTP晶体的表面表面发射的太赫兹参量振荡器。在太赫兹参量振荡过程中,斯托克斯光沿着晶体的x轴形成激光振荡,泵浦光与x轴成小角度θext入射,泵浦光、斯托克斯光和太赫兹波的偏振方向均沿着晶体的z轴。在5.72 THz处获得最大能量为336 nJ,当θext从1.250°到6.000°变化时,获得的太赫兹波的可调谐范围为3.17到6.13 THz,然而由于其它横向光学声子模134 cm-1和178.7 cm-1的存在,使得调谐范围并不连续,出现了两个频率间隙,分别从3.44 THz到4.19 THz和5.19 THz到5.55 THz。4.分析了KTP晶体在太赫兹波段的晶体特性,通过实验获得了KTA晶体在受激电磁耦子散射过程中的非共线相位匹配条件。设计了表面垂直发射的KTA晶体,并实现了基于KTA晶体的表面表面发射的太赫兹参量振荡器。在太赫兹参量振荡过程中,斯托克斯光沿着晶体的x轴形成激光振荡,泵浦光与x轴成小角度δext入射,泵浦光、斯托克斯光和太赫兹波的偏振方向均沿着晶体的z轴,在4.72 THz处获得最大能量为522 nJ,当θext从1.8750到6.500°变化时,获得的太赫兹波的可调谐范围为3.59到6.43 THz,然而由于其它横向光学声子模132.9 cm-1、156.3 cm-1、175.1 cm-1和188.4 cm-1的存在,使得调谐范围不连续,出现了四个频率间隙,分别从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.根据高莱探测器的热动力学过程,建立了高莱探测器的频率传递函数(FTF),频率传递函数描述了高莱探测器的输入输出关系,它可以表示为高莱探测器的两个时间参数τ1和τ2以及与入射波长有关的参数K的函数。利用1064m激光作为高莱探测器的入射信号,通过实验确定了高莱探测的两个时间参量和在1064 nm处的参数K的值。6.根据高莱探测器的频率传递函数,计算出高莱探测器对窄脉冲的脉冲响应波形和脉冲响应度Rp。对于脉冲能量为E,脉冲宽度远小于高莱探测器响应时间的入射光脉冲,高莱探测器的有效响应电压u为从脉冲开始到响应波形的峰值之间的电压差,那么脉冲响应度为Rp=u/E,其值的大小为(1/τ1-1/τ2)K,与入射光脉冲的重复频率和脉冲宽度无关。本论文的主要创新点如下:1.通过描述非线性光学过程的耦合波方程和描述激光运转的速率方程相结合,推导出外腔泵浦的太赫兹参量振荡器的理论模型,并首次考虑了太赫兹波、泵浦光和斯托克斯光的空间分布,使得理论模型更加符合实际情况。2.首次设计了一种板条结构的晶体,使斯托克斯光发生多次全发射,太赫兹波能够从这些全反射位置获得输出,在实验中获得了5束太赫兹波输出,总能量相对于传统的太赫兹参量源输出能量提高了3.56倍。3.首次在KTP晶体中实现了表面垂直发射的太赫兹参量振荡器,其角度调谐范围分为不连续的三段,分别为3.17 THz到3.44 THz,4.19 THz到5.19 THz和5.55 THz到6.13 THz,当泵浦能量为80 mJ时,在5.72 THz处获得最大太赫兹脉冲能量为336nJ。4.首次在KTA晶体中实现了表面垂直发射的太赫兹参量振荡器,其角度调谐范围分为不连续的三段,分别为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,当泵浦能量为100 mJ时,在4.72 THz处获得最大太赫兹脉冲能量为522 nJ。5.根据高莱探测器的热动力学过程,建立了高莱探测器的频率传递函数,并得到了高莱探测器的脉冲响应度,其值与脉冲重复频率和持续时间无关。


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