高效宽带可调谐Si棱镜阵列耦合THz波参量振荡器研究

发布时间：2018-06-13 19:04

  本文选题：MgO:LiNbO_3晶体 + THz波参量振荡器　； 参考：《哈尔滨工业大学》2017年博士论文

【摘要】：基于晶体参量效应的THz波参量振荡器(TPO)能够在室温条件下输出高功率、宽带连续可调谐的THz波,特别是采用Si棱镜阵列耦合输出的TPO(Si-TPO),具有结构紧凑、输出THz波指向性好的优点,在THz波谱技术中有重要的应用价值。在过去近20年中,尽管THz波参量源得到不断的发展,但仍然存在输出效率低这一亟待解决的问题。晶体对THz波在输出过程中的强烈吸收,严重制约了THz波在高频端的输出能量和调谐范围。此外,TPO的自动控制快调谐技术是实现其THz波谱测量等应用的必备条件。鉴于此,本论文主要研究Si-TPO降低晶体吸收损耗,提高THz波输出效率的方法,并研究实现Si-TPO自动调谐的关键技术。理论方面,根据电磁波与离子晶体TO振动模相互作用的理论,分析了晶体的色散特性,并推导了受激电磁耦子散射(SPS)过程中Stokes光和THz波的增益表达式。根据Li Nb O3晶体的晶格参数,计算了其在THz波段的色散、吸收以及SPS增益。以此为基础推导了基于Li Nb O3晶体TPO的阈值表达式,研究了泵浦光斑尺寸、腔长等参量对TPO阈值的影响,为后续实验工作提供了理论依据和数据参考。实验方面,建立了Si-TPO的实验装置,通过参量产生实验分析了Mg O:Li Nb O3晶体的色散和Stokes增益特性。研究了Si-TPO输出THz波的空间分布、晶体吸收、角度调谐、调谐输出以及级联过程等基本问题。研究了泵浦光斑尺寸对Si-TPO输出效率的影响,得出采用y方向尺寸为1mm左右泵浦光斑,Si-TPO具有更高的效率。研究了THz波在晶体内的传输特性并得出Si-TPO中减小晶体吸收的原则,利用优化光斑形状、晶体安装等方式实现THz波输出效率的提升。采用切割泵浦光和Stokes光的方式研究得出,THz波在传输过程中会与晶体内的泵浦光相互耦合,激发出新的THz波和Stokes光,强泵浦下的晶体能够有效传递THz波能量。减小晶体吸收需靠近THz波输出面附近的晶体内有较强的泵浦光存在,并不需要Stokes光振荡的发生。优化泵浦光斑形状,解决THz波耦合面积和调谐范围的矛盾。优化泵浦光斑,利用1mm狭缝选取大泵浦光斑的中间部分,将直径为2mm的圆形光斑优化为y方向尺寸为1mm的长条形光斑,Si-TPO的低频限从1.15THz延伸到0.58THz;相比于1mm直径圆形光斑,1.2THz处的THz波输出能量提高了2.5倍。优化晶体安装位置,使晶体特定位置位于旋转轴,实现泵浦光的相对出射位置在角度调谐过程中不发生改变,避免了晶体损伤或额外晶体吸收损耗。在调谐过程中保持晶体的THz波输出面与泵浦光平行,解决调谐过程中由于晶体倾斜而带来额外的晶体吸收损耗,实现1.6THz附近的输出能量提高了约3.2倍。构建了泵浦光在THz波输出面全反射的Si-TPO(PR-Si-TPO),实现了THz波输出能量数十倍的提升,并扩展了THz波的高频调谐范围。根据全反射衰逝波理论,提出通过在晶体和棱镜间制造特定厚度空气隙的方法,实现界面对入射泵浦光的全反射,同时保证THz波高效耦合输出,采用0.8μm厚的空气隙,构建了泵浦光在THz波输出面全反射的Si-TPO。与同等泵浦条件下传统的Si-TPO相比,PR-Si-TPO输出THz波的能量在1.8-2.3THz范围内提高了约20-50倍,振荡阈值降低10%-34%,调谐范围的高频限从2.5THz扩展到3.66THz,Stokes光线宽压缩了近70%,从0.23nm压缩至0.07nm。利用端面精密抛光的晶体,采用光斑直径为1mm、重频为2Hz、能量为8m J的泵浦光时,晶体切角没有出现损伤,实现PR-Si-TPO的低频限扩展至与Si-TPO的相当。实验获得THz波的调谐输出范围为0.6-3.6THz,当泵浦光能量为15m J时,在2.0THz附近获得了最高THz波输出能量为2.4μJ,峰值功率为0.3kW,能量转化效率达到1.6×10-4。研究了通过调节一个反射镜角度即可实现Si-TPO角度调谐的方式,为实现Si-TPO自动控制快调谐突破技术关键。采用反射镜配合1:1望远镜系统的方式,在PR-Si-TPO中实现了反射镜角度调谐,并验证了此方式能够维持PR-Si-TPO的效率。基于Porro棱镜作为角反射器,采用非对称的腔型,实现了双程泵浦的输出镜调谐Si-TPO。在0.8-2THz内获得了THz波调谐输出,实验测得其阈值比传统的平-平腔Si-TPO降低23%左右。将输出镜换成与角反射器相交叉的另一个porro棱镜,构成交叉porro棱镜腔,实现了对腔镜失谐不敏感的Si-TPO。通过对比研究表明,其承受腔镜失谐的能力比传统平-平腔Si-TPO提高1-2个数量级,极大增强TPO对工作环境的适应性。
[Abstract]:The THz wave parametric oscillator (TPO) based on the crystal parameter effect can output high power, broadband and continuous tunable THz wave at room temperature, especially TPO (Si-TPO) using Si prism array coupling output. It has the advantages of compact structure and good directivity of output THz wave. It has important application value in THz wave spectrum technology. In the past 20 years In spite of the continuous development of the THz wave parameter source, there is still an urgent problem to be solved. The strong absorption of the crystal to the THz wave in the output process seriously restricts the output energy and tuning range of the THz wave at the high frequency end. In addition, the TPO automatic control fast harmonic technique is a necessity to realize the application of the THz spectrum measurement. In view of this, this paper mainly studies the method that Si-TPO reduces the absorption loss of crystal and improves the output efficiency of THz wave, and studies the key technology to realize the automatic tuning of Si-TPO. In theory, the dispersion characteristics of the crystal body are analyzed based on the theory of the interaction between the electromagnetic wave and the vibrational mode of the ionic crystal TO, and the scattering of stimulated electromagnetic coupling is derived. SPS) the expression of the gain of Stokes and THz waves in the process. According to the lattice parameters of Li Nb O3 crystal, the dispersion, absorption and SPS gain in the THz band are calculated. Based on this, the threshold expression of Li Nb O3 crystal TPO is derived, and the effect of the size of the pump spot and the length of the cavity on the threshold value is studied. For the theoretical basis and data reference. In the experiment, the experimental device of Si-TPO was set up. The dispersion and Stokes gain characteristics of the Mg O:Li Nb O3 crystal were analyzed by the parameter generation experiment. The basic problems such as the spatial distribution of the THz wave of the Si-TPO output, the crystal absorption, the angle tuning, the tuning output and the cascade process were studied. The pump spot was studied. The effect of size on the output efficiency of Si-TPO shows that the pump light spot in the Y direction is about 1mm, and the Si-TPO has higher efficiency. The principle of THz wave transmission in the crystal is studied and the principle of reducing the crystal absorption in Si-TPO is obtained. The output efficiency of THz wave is improved by optimizing the shape of the spot and crystal installation and so on. The cutting pump is used. The study of the mode of pup and Stokes light shows that the THz wave will be coupled with the pump light in the crystal during the transmission process, which can stimulate the new THz wave and Stokes light. The crystal under the strong pump can effectively transfer the THz wave energy. It is not necessary for the crystal absorption to exist in the crystal near the THz wave output surface, and does not require Stokes light. It optimizes the shape of the pump spot, solves the contradiction between the THz wave coupling area and the tuning range, optimizes the pump spot, uses the 1mm slit to select the middle part of the large pump spot, and optimizes the circular spot of the diameter of 2mm into a long strip of light with the dimension of the Y direction 1mm, and the low frequency limit of Si-TPO extends from 1.15THz to 0.58THz; compared with 1mm straight. The output energy of THz wave at 1.2THz is increased by 2.5 times. The position of crystal installation is optimized and the specific position of the crystal is located on the axis of rotation. The relative ejection position of the pump does not change during the angle tuning process, avoiding the crystal damage or the additional crystal absorption loss. In the tuning process, the THz wave output surface of the crystal is maintained. With Ura Hikaruhiroyuki, the extra crystal absorption loss caused by the crystal tilt in the tuning process was solved, and the output energy near the 1.6THz was raised about 3.2 times. The Si-TPO (PR-Si-TPO) of the full reflection of the pump light in the THz wave output surface was constructed. The output energy of the THz wave was raised by ten times, and the high frequency tuning range of the THz wave was extended. According to the theory of total reflection and evanescent wave, a method of producing a specific thickness air gap between the crystal and prism is proposed to realize the full reflection of the interface to the incident pump light. At the same time, the efficient coupling output of the THz wave is guaranteed, and the 0.8 m thick air gap is used to construct the traditional Si under the full reflection of the Si-TPO. and the same pump condition of the pump light in the output surface of the THz wave. Compared with -TPO, the energy of the PR-Si-TPO output THz wave increased by about 20-50 times in the 1.8-2.3THz range, the oscillation threshold decreased by 10%-34%, the high frequency limit of the tuning range was expanded from 2.5THz to 3.66THz, and the width of the Stokes light was compressed by nearly 70%. When the pump light of J has no damage, the low frequency limit of the PR-Si-TPO is extended to the same as that of the Si-TPO. The tuning output range of the THz wave is 0.6-3.6THz. When the pump light energy is 15m J, the maximum THz wave output energy is 2.4 mu J, the peak power is 0.3kW, and the energy conversion efficiency reaches 1.6 * 10-4. The mode of Si-TPO angle tuning can be realized by adjusting the angle of a reflector. In order to realize the key technology of fast tuning breakthroughs in Si-TPO automatic control, the reflector angle tuning is realized in PR-Si-TPO with the mirror with the 1:1 telescope system, and the efficiency of maintaining PR-Si-TPO is verified. Based on the Porro prism. As a corner reflector, the mirror is used as an asymmetrical cavity type, realizing the tuning output of the output mirror of the double pumped output mirror Si-TPO. in 0.8-2THz. The experiment results show that the threshold is about 23% lower than that of the traditional flat cavity Si-TPO. The output mirror is replaced by another Porro prism which crosses the corner reflector, and the cross Porro prism cavity is formed. The Si-TPO., which is insensitive to the detuning of the mirror, shows that the ability to withstand the detuning of the mirror is 1-2 orders of magnitude higher than that of the conventional flat flat cavity Si-TPO, which greatly enhances the adaptability of the TPO to the working environment.
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN753.91

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