基于受激电磁耦子散射的太赫兹参量源的理论与实验研究

发布时间：2018-05-02 05:47

本文选题：电磁耦子散射 + 太赫兹　；参考：《山东大学》2017年硕士论文

【摘要】：太赫兹参量源因体积小、结构紧凑、室温下稳定运转,调谐范围大以及输出峰值功率高等优点被人们广泛关注,其物理基础是受激电磁耦子散射。电磁耦子是光波和晶体的晶格振动模耦合的产物。合适的太赫兹参量源晶体不仅需要含有红外和拉曼双活性的A1晶格振动模式,而且也需要拥有高的非线性系数、大的抗光损伤阈值,以及在太赫兹波段较高的透过率。LiNbO_3晶体、KTP晶体、KTA晶体、RTP晶体目前均可作为太赫兹参量源晶体。以1064 nm激光作为泵浦光,利用上述晶体的太赫兹参量源可以获得从1 THz到7 THz的太赫兹波输出。部分太赫兹参量源在调谐过程中出现了太赫兹频率缝隙。缝隙会影响太赫兹波的连续调谐,在不同调谐位置,太赫兹波呈现有不同的峰值输出能量。耦合波方程理论可以用来描述受激电磁耦子散射产生太赫兹波的过程。国内外研究人员在泵浦光强为常量以及相互作用区域在晶体作用长度以内是重合的假设下,给出过斯托克斯和太赫兹波增益随着传输距离改变的表达式。然而在高效率运转的太赫兹参量源中,泵浦光和太赫兹光的非共线相位匹配角度非常大,并且泵浦光的消耗非常明显,因此,不能再简单将三波视为共线相位匹配,也不能将泵浦光视作不变的光场。在受激电磁耦子散射理论中,太赫兹光强的增益系数由两部分组成,一部分是二阶非线性系数,另一部分是等效二阶非线性系数。本文明确了其中等效二阶非线性系数与A1模式的拉曼强度、红外强度的关系,详细分析了 KTP晶体内多个A1模式对输出某个频率太赫兹波具体的影响。在实验中,通过表面垂直出射的基于KTP晶体的太赫兹参量振荡器,获得了高能量的太赫兹波。基于MgO:LiNbO_3晶体的种子注入太赫兹参量产生器,本文首次考虑了大角度的非共线匹配造成的空间相互作用区域不重合的情况和强消耗的泵浦光下运转的太赫兹参量过程。对于耦合波方程组,给出了数值解法,并在实验上验证了该数值解法的可靠性。本论文具体研究内容如下:1.基于受激电磁耦子散射耦合波方程,对太赫兹光强的增益系数进行了分析。增益系数中,等效二阶非线性系数Re(ρ2j")与参量ηj和参量ξj(wT)的积成线性比例关系。通过对ηj,ξj(wT)以及Re(ρ2j")的理论分析可知,参量ηj和A1模式的红外强度与拉曼散射截面的积成正比,参量ξj(wT)与太赫兹波频率和A1模式频率直接相关。在频率为wT处产生的太赫兹波,频率相邻的A1模式对其影响最强烈,频率差异大的模式对其影响减弱。在太赫兹增益系数小,而损耗较大的频率位置,难以通过基于受激电磁耦子散射的太赫兹参量源在该位置处获得太赫兹波输出。将1064.16 nm平顶形脉冲光作为泵浦光输入,利用梯形切割的KTP晶体,基于太赫兹参量振荡器的实验设置,我们获得了从3.04 THz到 3.50 THz,4.28 THz到 4.54 THz,4.82 THz 到 4.99 THz 以及从 5.47 THz 到 6.04 THz的太赫兹波的调谐输出。在泵浦脉冲能量为256 mJ下,最高获得了单脉冲能量为1.56 μ,频率为5.73 THz的太赫兹波输出。2.在考虑了受激电磁耦子散射过程的大角度非共线相位匹配和泵浦光大幅度消耗情况下,理论分析了基于MgO:LiNbO_3的种子注入式太赫兹参量产生器输出太赫兹波的过程。我们对太赫兹参量源的作用区域进行了合理分割,并对受激电磁耦子散射过程的耦合波方程给出了数值解法。利用波长为1064.16 nm的平顶型脉冲光作为输入的泵浦光,1070.76 nm的脉冲光作为注入的种子斯托克斯光,基于MgO:LiNbO_3晶体的表面垂直出射的种子注入太赫兹参量产生器,进行了实验与理论研究。当泵浦光脉冲能量为63.6 mJ,种子脉冲能量为9.8 mJ时,实验上能够得到0.69 μJ的太赫兹波输出。通过合理的参数设置,理论计算结果能够与实验结果较为符合。
[Abstract]:In this paper , a terahertz parametric oscillator with high nonlinear coefficient , high nonlinear coefficient , and high transmittance is obtained . The coupling wave equation theory can be used to describe the laser beam with high nonlinear coefficient , high light damage threshold and high transmittance in terahertz wave band . Based on the experimental setup of the terahertz parametric oscillator , we obtained the tuning output of terahertz waves from 3.04 THz to 3.50 THz , 4.28 THz to 4.54 THz , 4.82 THz to 4.99 THz and from 5.47 THz to 6.04 THz .

【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN753.91

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