CO2激光共線差頻產(chǎn)生太赫茲的理論和實驗研究.pdf

1、太赫茲科學與技術(shù)給成像與感測等應用領(lǐng)域和醫(yī)藥、化學與生命科學等基礎(chǔ)研究領(lǐng)域帶來深遠的影響，而成為近年來熱門的研究課題，而對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差頻的方法，通過差頻方法產(chǎn)生太赫茲有著廣闊的應用前景。差頻方法產(chǎn)生太赫茲的原理是利用兩束波長接近的泵浦光在非線性光學晶體中滿足相位匹配時差頻產(chǎn)生波長在太赫茲區(qū)域的輻射源。而在共線差頻時

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。從實驗方面利用自行搭建的雙波長輸出、正交偏振、可調(diào)諧的CO2激光裝置對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)，推導出共線差頻中準相位匹配時產(chǎn)生太赫茲的功率和轉(zhuǎn)換效率的表達式，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激光進行準相位匹配共線差頻表面輻射產(chǎn)生太赫茲的方法，推導出表面輻射產(chǎn)生太赫茲波源的轉(zhuǎn)換效率的表達式，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，計算了共線準相位匹配周期性晶體的周期、匹配角和太赫茲波長之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)隨著周期性晶體的周期長度增加，所產(chǎn)生太赫茲波輻射源的波長增加。
　　(2)為了獲得共線差頻實驗中波長可調(diào)諧的CO2激光，分析了CO2氣體激光器分子能級結(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?；诠鈻耪{(diào)諧理論，搭建了一臺雙波長輸出、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組雙波長輸出時間同步波長，為共線差頻產(chǎn)生太赫茲提供了泵浦源。僅用一臺可輸出雙波長的可調(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用，這可使太赫茲波輻射源發(fā)生器結(jié)構(gòu)緊湊簡單。
　　(3)利用自行搭建可以在9.1-10.7μm之間調(diào)諧的一臺正交偏振雙波長輸出的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驗。對GaSe晶體的光學特性和相位匹配理論進行了分析。實驗

6、產(chǎn)生了波長范圍在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。在實驗中對CO2激光在GaSe晶體中的相位匹配角，相位匹配允許角進行分析，實驗結(jié)果跟理論計算相符合。實驗在243.6μm波長處獲得太赫茲波的最大單脈沖能量為11nJ，其峰值功率182mW。
　　(4)實驗研究了周期性反轉(zhuǎn)的GaAs晶體片堆在準相位匹配條件下，利用雙波長輸出的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，利用光學鍵合法對GaAs晶體片進行鍵合，并對GaAs晶體片堆的CO2激光透過率進行測量。實驗產(chǎn)生了波長為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雙波長輸出可調(diào)諧CO2激光在扇形結(jié)構(gòu)非線性晶體中共線差頻，通過簡單平移改