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基于LiNbO_3晶体耦合场量子的THz电磁波辐射源研究

张显斌  
【摘要】: THz波是指频率从0.1THz到10THz(1THz=10~(12)Hz),处于微波频段和光频段之间的电磁辐射。由于长时间缺乏产生和探测THz波的有效手段,人们对THz电磁辐射的研究和认识非常有限,然而近十几年来,THz波已经成为世界上极为活跃的科学研究领域之一。这是因为THz波对大多数物质的高穿透性,以及物质在THz频段丰富的频谱特性,使THz波在凝聚态物理、天体物理、生物、医学、安全检测等众多领域中得到广泛应用。本论文在分析THz电磁波的研究意义、现状以及未来发展趋势的基础上,以利用LiNbO_3晶体产生可调谐THz电磁波辐射源及其应用为主要内容,具体开展了以下研究工作: (1)论述了固体中的耦合场量子以及利用耦合场量子的受激拉曼散射过程辐射THz电磁波的理论。在此基础上结合实验,对以1064nm的Nd∶YAG激光器为泵浦光源,LiNbO_3晶体为非线性介质的THz波辐射源的特性进行了分析研究。 (2)首次实现了基于掺杂MgO摩尔分数为5%mol的近化学计量比MgO∶LiNbO_3(MgO∶SLN)材料的85mm短谐振腔结构形式的THz参量振荡器,在对比性实验中使传统160mm腔长的THz辐射源的振荡阈值降低22.3%,能量输出提高170%,频率调谐范围从0.5~2.4THz扩宽为0.8~3.0THz。通过法布里-珀罗干涉仪测量其典型线宽Δv=109GHz,具有良好的单色特性。利用85mm短腔THz波辐射源进行了高能量泵浦光入射实验,在1.2THz下得到了420pJ/pulse的THz波,这是截至2006年利用THz波参量振荡器产生THz波的最高峰值能量输出。 (3)对同成份配比生长的LiNbO_3晶体(CLN)和近化学计量比MgO∶LiNbO_3晶体(SLN)的THz波输出特性进行了对比性分析研究。结果表明:CLN比SIN的输出稳定性高;SLN会因为较高的光折变效应造成相位失配,进而影响其输出特性;逐渐提高MgO掺杂摩尔分数会明显减小SLN晶体因光折变效应给THz输出带来的不利影响,并提高抗光损伤能力。 (4)首次实现了一种对称谐振腔结构形式的“浅表面垂直出射THz波参量振荡器(SE-TPO)”。实验测试表明这种THz辐射源的波束质量因子为:M_x~2=1.15,M_z~2=1.25,汇聚后焦点面积小于0.4mm~2,反映出这种SE-TPO输出的THz波光束具有良好的空间分布、空间传输以及聚焦特性;调谐频率范围为0.4~3.19THz,调谐带宽为2.79THz;振荡阈值为11mJ/pulse;使用20.3mJ/pulse的泵浦光测量其峰值输出能量104pJ/pulse;典型单色THz波线宽为Δv=92GHz。 (5)建立了基于SE-TPO辐射源的THz透射成像系统。系统成像的分辨率接近THz波长,最大信噪比6000,动态范围37dB。首次开展了将该系统应用于无损伤探测和在线检测的初步实验研究。在1.8~1.9THz下,该系统对脱水叶片、藏匿于纸包中的金属刀片、塑料管中折断金属导线可清晰成像,反映该成像系统具有进一步的应用性开发潜力。 (6)建立了基于SE-TPO辐射源的THz吸收光谱系统。首次利用该系统对标准样品核黄素,以及同属二糖结构的蔗糖和麦芽糖的吸收光谱进行了测量。观察到的核黄素吸收峰与该样品标准的特征吸收峰吻合,并明显观察到蔗糖和麦芽糖明显不同的特征吸收峰。这表明该系统具有开展物质THz特征光谱分析及物质的THz光谱分辨应用潜力。


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