CO2激光共線差頻產(chǎn)生太赫茲的理論和實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、太赫茲科學(xué)與技術(shù)給成像與感測(cè)等應(yīng)用領(lǐng)域和醫(yī)藥、化學(xué)與生命科學(xué)等基礎(chǔ)研究領(lǐng)域帶來深遠(yuǎn)的影響，而成為近年來熱門的研究課題，而對(duì)如何獲得太赫茲波輻射源的研究是其關(guān)鍵問題研究之一。獲得在常溫下穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)、相干和可調(diào)諧的太赫茲波輻射源的最有效的方法之一是利用非線性光學(xué)差頻的方法，通過差頻方法產(chǎn)生太赫茲有著廣闊的應(yīng)用前景。差頻方法產(chǎn)生太赫茲的原理是利用兩束波長(zhǎng)接近的泵浦光在非線性光學(xué)晶體中滿足相位匹配時(shí)差頻產(chǎn)生波長(zhǎng)在太赫茲區(qū)域的輻射源。而在共線差頻時(shí)

2、兩束泵浦光的傳播方向相同，這樣能夠有效地使用在晶體中作用的有效面積和長(zhǎng)度來提高產(chǎn)生太赫茲的效率。
　　本論文基于共線差頻原理，以CO2激光在非線性晶體中共線差頻為研究對(duì)象，從理論上分析周期結(jié)構(gòu)的非線性晶體通過共線差頻如何有效產(chǎn)生太赫茲；相比其它激光，根據(jù)Manley-Rowe定理，理論上利用輸出波長(zhǎng)在10μm左右的CO2激光差頻能夠更有效地產(chǎn)生太赫茲源。從實(shí)驗(yàn)方面利用自行搭建的雙波長(zhǎng)輸出、正交偏振、可調(diào)諧的CO2激光裝置對(duì)GaSe

3、晶體和周期反轉(zhuǎn)的GaAs晶體片堆中共線差頻產(chǎn)生太赫茲進(jìn)行研究，并逐一展開論述和討論。論文主要的內(nèi)容如下：
　　(1)理論上從描述光波與物質(zhì)相互作用的三波耦合方程出發(fā)，推導(dǎo)出共線差頻中準(zhǔn)相位匹配時(shí)產(chǎn)生太赫茲的功率和轉(zhuǎn)換效率的表達(dá)式，理論分析CO2激光在周期反轉(zhuǎn)的非線性晶體GaAs中產(chǎn)生太赫茲波源轉(zhuǎn)換效率。提出可以利用CO2激光進(jìn)行準(zhǔn)相位匹配共線差頻表面輻射產(chǎn)生太赫茲的方法，推導(dǎo)出表面輻射產(chǎn)生太赫茲波源的轉(zhuǎn)換效率的表達(dá)式，并具體提出豎

4、直、傾斜和二維結(jié)構(gòu)的周期性晶體的方案。理論上研究通過表面輻射提高太赫茲波源功率的方法，計(jì)算了共線準(zhǔn)相位匹配周期性晶體的周期、匹配角和太赫茲波長(zhǎng)之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)隨著周期性晶體的周期長(zhǎng)度增加，所產(chǎn)生太赫茲波輻射源的波長(zhǎng)增加。
　　(2)為了獲得共線差頻實(shí)驗(yàn)中波長(zhǎng)可調(diào)諧的CO2激光，分析了CO2氣體激光器分子能級(jí)結(jié)構(gòu)，探討了光柵調(diào)諧技術(shù)，以此獲得可調(diào)諧的CO2激光器。基于光柵調(diào)諧理論，搭建了一臺(tái)雙波長(zhǎng)輸出、正交偏振的脈沖放電可調(diào)諧CO2

5、激光器裝置，調(diào)諧出18組雙波長(zhǎng)輸出時(shí)間同步波長(zhǎng)，為共線差頻產(chǎn)生太赫茲提供了泵浦源。僅用一臺(tái)可輸出雙波長(zhǎng)的可調(diào)諧CO2激光器，在共線差頻中產(chǎn)生太赫茲波輻射源是一種很有意義的應(yīng)用，這可使太赫茲波輻射源發(fā)生器結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)單。
　　(3)利用自行搭建可以在9.1-10.7μm之間調(diào)諧的一臺(tái)正交偏振雙波長(zhǎng)輸出的CO2激光器的裝置，研究了在非線性晶體GaSe中共線差頻產(chǎn)生太赫茲波輻射源實(shí)驗(yàn)。對(duì)GaSe晶體的光學(xué)特性和相位匹配理論進(jìn)行了分析。實(shí)驗(yàn)

6、產(chǎn)生了波長(zhǎng)范圍在236.3-1104.5μm(0.27-1.3THz)的可調(diào)諧輸出的窄帶太赫茲波輻射源。在實(shí)驗(yàn)中對(duì)CO2激光在GaSe晶體中的相位匹配角，相位匹配允許角進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果跟理論計(jì)算相符合。實(shí)驗(yàn)在243.6μm波長(zhǎng)處獲得太赫茲波的最大單脈沖能量為11nJ，其峰值功率182mW。
　　(4)實(shí)驗(yàn)研究了周期性反轉(zhuǎn)的GaAs晶體片堆在準(zhǔn)相位匹配條件下，利用雙波長(zhǎng)輸出的CO2激光器共線差頻產(chǎn)生太赫茲輻射源。分析了GaAs晶體

7、片的晶向選取和厚度，利用光學(xué)鍵合法對(duì)GaAs晶體片進(jìn)行鍵合，并對(duì)GaAs晶體片堆的CO2激光透過率進(jìn)行測(cè)量。實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生了波長(zhǎng)為319μm(0.94 THz)的太赫茲，太赫茲最大單脈沖能量隨晶體片數(shù)增加而增大，在GaAs晶體片數(shù)為10片時(shí)獲得太赫茲波源的最大單脈沖能量為12nJ，其峰值功率200mW，該能量比GaSe中共線差頻產(chǎn)生的太赫茲提高了10％。并提出可以利用一臺(tái)雙波長(zhǎng)輸出可調(diào)諧CO2激光在扇形結(jié)構(gòu)非線性晶體中共線差頻，通過簡(jiǎn)單平移改