高性能磷酸钛氧钾太赫兹参量源理论与实验研究

发布时间：2020-09-22 11:47

　　太赫兹波是指介于0.1 THz到10 THz之间的电磁辐射波,其在电磁波谱中所处的位置十分特殊,位于微波和红外辐射之间,因而拥有许多独特的性质,在生物医学、材料科学、安全监测、通信和国防等领域有着广泛的应用前景。太赫兹辐射源是太赫兹技术发展和应用的关键因素,寻找性能更加优良的太赫兹辐射源一直是太赫兹科研工作者的追求。其中,太赫兹参量源是重要的太赫兹辐射源之一,具有窄线宽、可连续调谐、室温工作、结构简单、峰值功率高、时间和空间相干性好等诸多优点。太赫兹参量源的物理基础是受激电磁耦子散射,受激电磁耦子散射过程的发生需要有合适的太赫兹参量源晶体。目前,已发现LiNb03(LN)晶体、KTiOP04(KTP)晶体,KTi0As04(KTA)晶体,RbTiOP04(RTP)晶体可用于太赫兹参量源。遗憾的是,其产生的太赫兹波能量十分有限。斯托克斯参量振荡器和斯托克斯参量放大器结合的实验方案是解决该问题的重要手段之一。斯托克斯参量振荡器的作用是产生待放大的斯托克斯光脉冲,斯托克斯参量放大器的作用是在放大入射的斯托克斯光脉冲能量的同时,通过受激电磁耦子散射得到太赫兹脉冲。在该方式中,在保证泵浦光能量密度小于非线性晶体损伤阈值的情况下,泵浦光束的光斑尺寸不受限制因而泵浦脉冲能量不受限制,通过对待放大斯托克斯脉冲进行扩束,可以实现很好的泵浦光束和斯托克斯光束空间重合性;泵浦光路上的延时装置可以保证泵浦光脉冲与待放大斯托克斯光脉冲有很好的时间重合性。太赫兹参量源的运转过程可用耦合波方程组来描述。耦合波方程组理论描述了相互作用的每个光波在传输方向上的变化规律。然而,在以往的理论处理中,存在着一些不合理的假设。其一,将泵浦光强视为常数;其二,将泵浦光,斯托克斯光和太赫兹波的传播方向视为共线。在电磁耦子散射过程中,泵浦光被剧烈消耗,且泵浦光和太赫兹波的非共线相位匹配角度也非常大(可达60°左右)。因此,泵浦光的剧烈损耗和大的相位匹配角是理论处理中必须要考虑的因素。此外,表面垂直发射结构对晶体内太赫兹波的传输有巨大的影响;泵浦光和待放大斯托克斯光的脉冲形状、光斑形状及其强度分布对晶体内光场分布的影响更是不容忽视。KTP晶体作为新型太赫兹参量源晶体之一,具有生长技术成熟、晶体光学质量好、损伤阈值高的优良特性,产生的太赫兹波段(主要为3.3～6.5 THz)也与MgO:LiNbCO3晶体产生的太赫兹波段(主要为0.9～3.1 THz)不同。因此探究KTP晶体在获得大能量太赫兹脉冲方面的潜力是极有必要的一项工作。本文使用斯托克斯参量振荡器和表面垂直发射的斯托克斯参量放大器结合的实验方案,分别研究了基于KTP晶体的斯托克斯参量振荡器和斯托克斯参量放大器的运转特性,获得了大能量的太赫兹波输出;同时就斯托克斯参量放大器而言,给出了耦合波方程的数值解法,模拟了其运转过程。其理论结果得到了实验的证实,有助于太赫兹参量源的设计和优化。本文具体研究内容如下:1.基于斯托克斯参量振荡器产生高能量斯托克斯脉冲输出的实验研究。斯托克斯参量振荡器的主要目的为产生一个较高的斯托克斯光脉冲,以待斯托克斯参量放大器进行后续放大。因此主要研究了基于KTiOPO4晶体的斯托克斯参量振荡器的斯托克斯光输出特性,分别考虑了角度调谐曲线、偏振方向和输出镜透过率等因素的影响。实验结果显示,当泵浦光和斯托克斯光夹角为4.4°,泵浦光偏振方向平行于晶体z轴,输出镜透过率为60%时,可以得到最大的斯托克斯光脉冲输出。2.基于斯托克斯参量振荡器和斯托克斯参量放大器相结合的方案,产生高能量太赫兹波输出的实验研究。根据斯托克斯参量振荡器的实验研究结果,选取4.4°作为该实验中的非共线匹配角度。在泵浦光和待放大斯托克斯光能量最大时,通过调节泵浦光和待放大斯托克斯光脉冲之间的延时,使太赫兹波输出能量得到了优化。当泵浦光脉冲能量为580.0 mJ,待放大斯托克斯光脉冲能量为36.6 mJ,延时为1.7 ns时,获得放大后斯托克斯光脉冲能量为192.1 mJ,太赫兹波脉冲能量最大为17.0μJ。此外,通过研究不同延时下泵浦损耗特性,进一步证实了延时的调整对产生高能量太赫兹波脉冲具有重要意义。3.斯托克斯参量放大器的理论仿真研究。考虑到大角度非共线相位匹配、泵浦光束消耗大、太赫兹波表面垂直发射结构、高斯脉冲分布等实际因素,我们利用耦合波方程组对斯托克斯参量放大器工作过程进行了理论模拟,并与实验结果进行了对照,理论和实验结果符合较好;对于理论和实验结果的差异,我们也给出了合理的分析。
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：O737;O441
【部分图文】：

频谱图,太赫兹波,频谱图

逦山东大学硕士学位论文逦逡逑第一章绪言逡逑太赫兹波是指频率介于０．１邋ＴＨｚ到１０邋ＴＨｚ之间的电磁辐射波，其在电磁波逡逑谱中所处的位置十分特殊，位于微波和红外辐射之间，因而拥有许多独特的性质逡逑［１－３］。长期以来，电子学技术和光子学技术的迅速发展和成熟使得电磁波谱上大逡逑多数区域得到了较为充分的研究，而太赫兹波段由于缺少高效的太赫兹辐射源和逡逑灵敏的探测装置，并未得到充分的研宄。因此，该波段被称为“太赫兹空隙”。逡逑ｊ太Ｍ兹凌

太赫兹波,短距离,星际通信,大气通信

爆炸物和武器等禁运品［１０－１２］。更重要的是，太赫兹波的监测为不接触的无损检逡逑测。因此，我们可以通过构建违禁物品的太赫兹波图谱数据库，与太赫兹安检仪逡逑监测到的物质进行比对，这无疑是更为理想的安全检测手段。图１－２显示的是利逡逑用太赫兹波对藏在报纸里的刀具的成像结果。目前，美国一家公司已经研发出了逡逑Ｐｒｏｖｉｓｉｏｎ系列的太赫兹波扫描仪，并在欧美多个机场投入使用。当然，国内太赫逡逑兹科研机构同样也在大力研发具有自主知识产权的太赫兹波安检仪。相信这种新逡逑的监测手段必能进一步防范恐怖袭击。逡逑电逡逑ｌｉｌｌｐ逡逑图１－２利用太赫兹波对藏在报纸里的刀具的成像逡逑通信技术：太赫兹波在星际通信、中短距离大气通信、短距离无线局域网等逡逑领域有着诱人的应用前景。太赫兹波的频带约为当前手机通信频带的１０００倍，逡逑这意味着超高速无线通信网络的建设将是可能的。目前，国际通讯联盟己经指定逡逑０．１２邋ＴＨｚ为下一代地面无线通信网络频段。太赫兹通信技术将成为６Ｇ通讯的基逡逑础。逡逑生物医学领域：太赫兹波辐射可用于癌细胞表皮成像、疾病诊断以及药物研逡逑３逡逑

光整流,方法,太赫兹波

图卜３光电导天线逡逑光整流方法则是基于超短脉冲激光与非线性介质相互作用产生的低频电极逡逑化场来产生太赫兹波辐射，如图１－４所示。这种方法与光电导天线相比，输出的逡逑频谱带宽更宽，但泵浦光和太赫兹波在晶体中传播速度不同导致的相位失配会严逡逑重影响其效率。空气等离子体的方法是将超短脉冲激光在空气中聚焦，使空气发逡逑生电离形成等离子体，使离子电荷和电子电荷之间形成较大的密度差，继而导致逡逑强有力的电磁瞬变的发生，发射出太赫兹波。其主要机制在于空气等离子体中混逡逑合的基频光和二次谐波发生的四波混频过程，当基频光、二次谐波和太赫兹波偏逡逑振态相同时，该方法效率最高。逡逑Ｅ（（｝－Ａ｛ｔ）ｃｏｓ0）ｔ逦Ｅ邋Ｕ）逡逑斯线性P蓸&逡逑图１－４光整流方法逡逑太赫兹气体激光器是比较成熟的一种太赫兹辐射源，即利用一个Ｃ０２激光逡逑器的远红外输出光栗浦一个充有甲烷、氨气、甲醇等物质的低气压腔

【相似文献】