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光整流产生THz辐射及其转换效率的研究

李德华  
【摘要】:用光子学方法产生太赫兹辐射是目前产生太赫兹辐射的两种主要方法之一。光子学太赫兹源可以产生高功率、高相干性、单频、宽调谐范围、小型化、可室温运行的多种太赫兹辐射。其中,用光整流产生的太赫兹辐射具有较高的辐射频率和较高频率带宽,在太赫兹时域光谱系统应用,研究太赫兹与物质相互作用等领域中具有广阔的应用空间。但是光整流产生太赫兹辐射的光转换效率比较低,如果用1瓦输出功率的飞秒激光做泵浦源,光整流产生太赫兹辐射最多只能到微瓦量级,光转换效率一般只有10-6量级。如何提高光整流产生太赫兹辐射的效率,以及非线性光学方法产生太赫兹辐射机理仍然是太赫兹辐射研究领域一个重要的课题。 本文用经典谐振子子模型和量子力学密度矩阵理论对二阶非线性效应进行了描述。分析了非线性介质中光整流产生太赫兹辐射的机理。利用非线性光学理论,对使用闪锌矿晶体光整流产生太赫兹辐射,以及光电取样探测过程进行了分析。对(1,1,0)和(1,1,1)取向的闪锌矿晶体作为太赫兹发射源和探测器的使用效率进行了分析,得出了重要结论;讨论了高斯脉冲入射条件下,晶体中二阶非线性效应产生太赫兹辐射的过程,入射激光脉冲宽度、晶体厚度等参数对产生太赫兹辐射的转化效率的影响。周期性极化晶体中相位匹配情况下,材料吸收系数对晶体厚度选择的影响,晶体厚度对产生太赫兹频率带宽的影响等;根据晶体中二阶非线性效应,理论上论证了利用差频进行太赫兹脉冲整形的可行性,并对差频太赫兹脉冲整形过程进行了计算机模拟,提出了差频太赫兹脉冲整形的实验方案。 主要创新点如下: 1)首次将太赫兹波在晶体中的吸收系数引入波动方程,得出了不同吸收率情况下,晶体有效长度与相干长度的关系。并对ZnTe、DAST、LiNbO3几种晶体的转化效率进行了计算机模拟,为光子学太赫兹辐射源的研究提供一定的理论基础。 2)首次提出利用光学差频方法进行太赫兹脉冲整形,并从晶体二阶非线性效应机制出发,对光学差频太赫兹脉冲整形的可行性进行了论证,对差频太赫兹脉冲整形过程进行了计算机模拟。理论推倒和计算机模拟结果表明,这种太赫兹脉冲整形不仅可以控制波形,还可以控制太赫兹电场的极化方向,与现有的光整流和光电导太赫兹脉冲整型方案相比,具有明显优势。 3)首次提出了提出利用光学差频进行太赫兹脉冲整形的实验方案,并对实验方案的可行性进行了论证,为赫兹脉冲波形整形提供一种新的解决方案。


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