THz波参量振荡器的输出频率特性研究

发布时间：2020-03-17 22:13

【摘要】：太赫兹波(l THz=1012Hz)是位于红外波和微波之间的一种电磁波,由于其在电磁波谱的特殊位置,因此在材料检测、医学成像和光谱分析等领域上具有重要的应用。基于受激电磁耦子散射的太赫兹参量振荡器(Terahertz Parametric OscillatorsTPO)可以在室温下输出具有良好方向性的窄脉宽、高功率、可连续可调的THz波,这是目前实现THz输出的主要方法。本文主要研究TPO中Stokes光和泵浦光形状对输出THz光的影响和TPO中各参量对振荡阈值的影响。在理论方面,分析了TPO产生THz光的基本理论,根据Mg O:Li Nb O3晶体的晶格参数,计算了在TPO过程中信号光和闲频光的增益表达式,以及在高损耗假设下信号光和闲频光的功率,得到当损耗比较高的情况下,产生的闲频光功率与损耗成正比的结论。计算了THz频带的色散方程并仿真Li Nb O3晶体中A1对称模色散分布和吸收特性曲线,得到了泵浦波长为1064nm下的相位匹配关系。在实验方面,通过太赫兹参量产生器(Terahertz Parameter Generation-TPG)实验研究受激电磁耦子散射(SPS)过程中Stokes光的色散特性曲线和增益系数;在泵浦光能量为10m J下更换晶体长度并分别测量Stokes光的相对强度,在SPS过程中Stokes光的增益系数为1.32cm-1。通过搭建硅棱镜阵列耦合输出TPO实验平台验证THz光在泵浦光中传输不会有能量的衰减。不切割Stokes光时输出的THz频率范围为1.22~2.54THz,对Stokes光切割后输出THz的频率范围为0.86~2.54THz,说明通过切割泵浦光的方法可以在保证THz光输出能量的基础上实现较大的调谐范围。研究了TPO各参量对振荡阈值的影响,当腔长从170mm增加到260mm时,阈值功率密度从52MW/cm2增加到70MW/cm2,增加了35%。当输出镜反射率R从0.9降低到0.5时,TPO阈值从51MW/cm2增加到53MW/cm2,增加了5.3%。当晶体长度从70mm降低到30mm时,TPO阈值从58MW/cm2增加到128MW/cm2,增加到原来的2.2倍。最后搭建一个浅表面垂直耦合输出TPO实验平台,将泵浦光斑整形为椭圆光斑,实现了对输出THz波光束质量的改善和输出调谐范围的拓展。
【图文】：

电磁波谱,太赫兹波,绪论,毫米波段

哈尔滨工业大学硕士学位论文第 1 章绪论1.1 课题背景及研究的目的和意义太赫兹波（lTHz =1012Hz）是指频率范围在 0.1THz~10THz 的电磁辐射波[1]，波长范围大小为 30μm~3000μm，在光谱中位于远红外和毫米波段中间，是光子和电子的交叉区域，因其具有一些特殊的性质，所以许多国家都将 THz 技术以及其应用作为重要研究方向[2]。THz 波在电磁波谱中的位置如图 1-1 所示，1THz 时常见单位和单位如表 1-1 所示：

LiNbO3晶体,耦合输出,棱镜,阵列

哈尔滨工业大学硕士学位论文将 Nd：YAG 激光器作为泵浦光源，输出的 1064nm 的激光作为泵晶体内构成 THz 参量振荡器（TPO），同时利用硅棱镜耦合[16]、极大提高了晶体中 THz 波的输出效率。采用光栅耦合方式的 THz 比常规的切角耦合方式提高了将近 50 倍，虽然这两种方式都可以难，但是输出的 THz 光的方向性很差，极大的限制了在某些领域的又提出来使用高阻率硅棱镜耦合输出太赫兹波的方式，能显著改的方向性。实验结果表明，采用高阻率硅棱镜耦合输出太赫兹方式在整个调谐范围内，指向仅仅变化了 2°左右。紧接着，将几块棱阵硅棱镜组，也解决了单块硅棱镜通光孔径小和耦合面积小的问题目前为止还是太赫兹波耦合的主要输出方式。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN753.91

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