基于GaSe晶体和金属薄膜的太赫兹辐射源

发布时间：2017-07-27 03:21

  本文关键词：基于GaSe晶体和金属薄膜的太赫兹辐射源

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【摘要】：太赫兹辐射因其特殊的性质,在材料光谱、生物医学、空间通信、国际反恐等基础研究和技术应用方面有广阔的前景,而太赫兹辐射源的发展是推动太赫兹应用技术进步的关键。本文基于Ga Se晶体这一实现太赫兹辐射最有前景的非线性晶体,对差频输出窄带太赫兹辐射的相位匹配类型进行了理论上的模拟计算和分析比较,通过超快脉冲的光整流获得宽带太赫兹输出并研究了太赫兹辐射对泵浦光强的依赖关系。着眼于新型材料和结构,本文在金属薄膜中同样获得宽带太赫兹输出,并对其太赫兹辐射机理进行了研究与分析。该工作为实现高功率输出和多样化的太赫兹辐射源提供了理论基础和初步的实验结果。本文主要研究内容如下:1.利用小型调Q可调谐CO_2激光器,基于Ga Se晶体,实现了基频9.2-10.7μm的可调谐倍频输出。根据相位匹配角与基频波长的关系,在众多已报道的色散方程组中,确定了Ga Se晶体在红外波段的最佳色散方程组;2.基于非线性差频原理,以可调谐CO_2激光器泵浦Ga Se晶体产生窄带太赫兹辐射为例,在三波共线情况下,对oe-e、oe-o和新型oo-e三种相位匹配方式的角度调谐特性、太赫兹输出光强以及相位匹配的允许参量进行了理论计算。计算结果表明,在对Ga Se晶体进行适当切割后,oo-e相位匹配方式可以实现太赫兹输出,而且在角度调谐、泵浦光的允许参量和实验操作方面具有明显优势。3.基于超快脉冲的光整流,在Ga Se晶体中实现0-3THz的宽带太赫兹辐射。随着泵浦光强的增加,太赫兹输出电场强度受到泵浦光双光子吸收的影响,与泵浦光强呈亚线性关系。双光子吸收不仅增加了泵浦光的损耗,抑制了太赫兹辐射的输出,同时也激发了自由载流子,导致晶体对太赫兹辐射吸收的增加。利用Drude-Lorentz模型,以及Ga Se晶体自由载流子的平均弛豫时间τ=0.38fs,对太赫兹输出和泵浦光强之间的关系进行了拟合。测量了掺杂Er和In元素Ga Se晶体的双光子吸收系数,提出采用元素掺杂的方法来降低双光子吸收,以提高太赫兹转换效率。4.在超快脉冲的激发下,利用光滑的金薄膜及其纳米孔结构实现0-3THz的宽带太赫兹辐射。对太赫兹输出与入射角、泵浦波长和光强的关系进行了系统地实验研究,并分析了太赫兹辐射的产生机理。结果表明,在激光脉冲的激发下,电子从金属表面逸出,电子的运动形成瞬态电流,从而向外辐射太赫兹电场。在该过程中,表面等离子激元对太赫兹输出强度进行调制。随着泵浦光强的增加,电子的逸出机制表现出从多光子电离到隧穿电离的过渡,最终导致太赫兹输出与泵浦光强之间的非线性关系。当泵浦光的波长发生改变时,表面等离子体激元的寿命随之改变,太赫兹输出频谱宽度受到影响。因此,通过表面等离子体激元可以实现对太赫兹输出强度和频谱宽度的主动调制。
【关键词】：GaSe晶体 差频 光整流 金属薄膜 太赫兹辐射源
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O441.4
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-9
• 目录9-12
• 第1章 绪论12-28
• 1.1 引言12-13
• 1.2 太赫兹辐射的主要特征与应用13-16
• 1.3 太赫兹辐射源及其研究现状16-26
• 1.3.1 窄带太赫兹辐射源17-22
• 1.3.2 宽带太赫兹辐射源22-26
• 1.4 论文的主要研究内容26-28
• 第2章 基于非线性光学的太赫兹辐射理论28-42
• 2.1 非线性频率转换基本原理28-30
• 2.2 差频产生窄带太赫兹辐射理论30-37
• 2.2.1 差频过程的动力学30-34
• 2.2.2 差频晶体的选择34-37
• 2.3 光整流产生宽带太赫兹辐射理论37-40
• 2.4 本章小结40-42
• 第3章 GaSe晶体差频产生窄带太赫兹辐射理论研究42-60
• 3.1 GaSe晶体的色散性质与倍频实验研究42-48
• 3.1.1 GaSe晶体的色散方程42-44
• 3.1.2 倍频实验确定色散方程及方位角44-48
• 3.2 GaSe晶体差频产生太赫兹辐射的相位匹配研究48-58
• 3.2.1 相位匹配角50-51
• 3.2.2 太赫兹输出光强51-53
• 3.2.3 相位匹配的允许参量53-58
• 3.3 差频产生窄带太赫兹辐射系统的技术难点58-59
• 3.4 本章小结59-60
• 第4章 GaSe晶体光整流产生宽带太赫兹辐射研究60-84
• 4.1 GaSe晶体光整流的相位匹配分析60-62
• 4.2 GaSe晶体光整流产生宽带太赫兹辐射实验62-65
• 4.3 GaSe晶体的双光子吸收系数65-68
• 4.4 GaSe晶体在太赫兹波段的光学性质68-78
• 4.4.1 透射型太赫兹时域光谱系统68-69
• 4.4.2 块状样品光学参数的提取69-71
• 4.4.3 材料光学参数的拟合71-73
• 4.4.4 GaSe晶体的光学参数测量与拟合73-78
• 4.5 GaSe晶体的双光子吸收对太赫兹输出的影响78-83
• 4.6 本章小结83-84
• 第5章 金属薄膜产生宽带太赫兹辐射研究84-106
• 5.1 金属薄膜产生宽带太赫兹辐射实验研究85-95
• 5.1.1 样品描述85-86
• 5.1.2 太赫兹输出电场性质86-88
• 5.1.3 太赫兹输出与入射角的关系88-92
• 5.1.4 太赫兹输出与泵浦光强的关系92
• 5.1.5 不同泵浦波长下的太赫兹输出比较92-95
• 5.2 强场中的电子电离机制95-97
• 5.2.1 多光子电离95-96
• 5.2.2 隧道电离96-97
• 5.3 表面等离子体激元对太赫兹输出的影响97-100
• 5.3.1 表面等离子体激元概述97-99
• 5.3.2 表面等离子体激元影响太赫兹输出99-100
• 5.4 金属薄膜产生太赫兹辐射的机理分析与总结100-104
• 5.5 本章小结104-106
• 第6章 总结与展望106-110
• 6.1 总结106-108
• 6.2 展望108-110
• 参考文献110-126
• 在学期间学术成果情况126-128
• 指导教师及作者简介128-130
• 致谢130-131

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