有机电光晶体4-(4-二甲基氨基苯乙烯基)甲基吡啶对甲基苯磺酸盐的太赫兹光谱研究

采用色散校正的密度泛函理论(dispersion-corrected density functional theory,DFT-D2)对有机电光晶体4-(4-二甲基氨基苯乙烯基)甲基吡啶对甲基苯磺酸盐(4-N,N-dimethylamino-4′-N′-methyl-stilbazolium tosylate,DAST)进行结构优化和太赫兹光谱计算,通过逐步提高精度进行几何优化的方法寻找DAST收敛的基态稳定结构,获得与DAST初始结构相一致的基态稳定结构.在此结构的基础上,在0—4 THz范围的太赫兹计算光谱与实验测量结果一致,说明采用DFT-D2进行优化的合理性.重要的是,首次通过计算的太赫兹光谱对DAST在0—4 THz范围的太赫兹吸收峰的振动模式进行了详细归属.结果表明:1.12 THz处的振动是DAST阴阳离子的光学声子模式,1.46 THz和1.54 THz两处的振动主要与磺酸盐有关,而2.63 THz和3.16 THz两处的振动则分别源于阳离子的扭转振动和阴离子的转动.该结果不仅很好地说明了阴阳离子分别在太赫兹响应中的贡献,而且为今后通过取代阴阳离子基团获取具有更高二阶非线性效应的DAST衍生物的新合成提供了重要的参考和指导.本文结果说明密度泛函理论在太赫兹光子学上的重要应用,对探究有机电光晶体的太赫兹响应物理原理、性能控制等具有重要的指导价值.     

电光聚合物在全光技术实现THz波产生与检测中的研究进展

研究和开发基于超短波和低能量激光系统的高振幅、宽频带的太赫兹系统一直是太赫兹应用领域的一个热点。与传统电光晶体材料相比,以电光聚合物薄膜作为太赫兹波产生和检测的最大的优势在于： 一方面电光聚合物不具有晶格结构相应的不存在声子的吸收和太赫兹折射率的散射问题,避免光谱间隙的产生;另一方面电光聚合物薄膜与已用于宽频太赫兹系统中的超薄电光晶体材料相比,更易于加工和处理。另外,可以自行设计得到低相位失配和高电光系数的电光聚合物材料,得到高效率和宽频带的太赫兹辐射源。可以预见,电光聚合物在这一领域的应用必将有宽阔的发展空间和学术研究意义。介绍电光聚合物的电光效应及二阶非线性生色团合成等相关理论问题基础上,综述了近二十多年来,电光聚合物在基于全光技术实现太赫兹波产生与检测系统中的研究进展,主要包括: 掺钛蓝宝石飞秒激光激发下,共聚型和主客体型电光聚合物实现太赫兹波产生与检测;光纤飞秒激光激发下,主客体型电光聚合物实现太赫兹波的产生与检测。     

新型有机晶体及超宽带太赫兹辐射源研究进展

非线性光学晶体是非线性光学频率变换技术中的核心器件。近些年,为进一步提高基于非线性光学频率变换技术产生太赫兹波的输出能量、转换效率,拓宽产生太赫兹波的带宽,多种新型有机晶体得以发展,并凭借其更加出色的非线性光学性质,成为产生太赫兹波的理想材料。本文按照晶体类型介绍了目前可产生THz波的多种有机晶体的性质,并总结了基于多种有机晶体的超宽带太赫兹辐射源的国内外研究进展,同时结合THz光谱检测技术的应用需求分析了基于有机晶体宽带THz辐射源的发展趋势以及所面临的关键科学问题。     

贝塞尔飞秒光束光学整流效应的研究

光学整流效应是产生宽带太赫兹波最有效的手段之一,基于光学整流效应产生太赫兹波的方法主要依靠抽运光与非线性晶体之间的相互作用。分别以5mm的磷化镓(GaP)块状晶体和6mm的GaP波导结构作为太赫兹波发射晶体,对具有相同功率的贝塞尔光束中心光斑和高斯光束的光学整流效率进行了对比研究。实验结果表明,在GaP块状晶体中,贝塞尔光束的光学整流效率是高斯光束的2.04倍;波导的特殊结构可以使抽运光和太赫兹波之间实现严格的相位匹配,贝塞尔光束的相对效率增加为3.46倍。两种抽运光产生的太赫兹波场均具有高斯分布特性,且贝塞尔光束产生的太赫兹波频谱具有明显的红移特征。贝塞尔光束能够提高光学整流效率,有助于实现高功率、紧凑型的太赫兹源,对推广太赫兹波的应用有显著意义。     

基于有机吡啶盐晶体的太赫兹频率上转换探测

利用激光泵浦国产有机吡啶盐4-(4-二甲基氨基苯乙烯基)甲基吡啶对甲基苯磺酸盐(4-N,N-dimethylamino-4′-N′-methyl-stilbazolium tosylate,DAST)晶体,通过非线性频率上转换方法实现了室温运转的高灵敏、快响应、宽频段太赫兹探测.高效生成了近红外上转换光,采集到其脉冲包络和光谱,获得了ns量级的时间分辨率,并换算太赫兹波的频率,实现了对太赫兹信息的全面表征.与商用高莱探测器相比,上转换方法在19 THz频点的探测灵敏度高4个数量级;在可探测频率3.15—29.82 THz范围内,响应度普遍高2—3个数量级.结果表明:室温下的光泵频率上转换探测方法在时间分辨率和响应度方面远优于传统的热探测器,极大地提高了差频有源太赫兹系统的动态范围,使差频源在太赫兹波谱分析和成像等领域具有更大的应用潜力.     

基于闪锌矿晶体中受激电磁耦子散射产生可调谐太赫兹波的理论研究

基于受激电磁耦子散射原理,采用已报道的利用非线性光学参量振荡方法产生可调谐太赫兹波的实验条件作为理论分析的实验模型,以GaAs,GaP, InP,ZnTe晶体为代表,计算分析了在闪锌矿晶体中参量振荡产生太赫兹波的吸收、增益特性,对输出THz波的调谐特性给出了详尽分析.分析太赫兹波高效耦合输出的腔型结构,并与掺氧化镁铌酸锂晶体组成的太赫兹波参量振荡器做对比. 关键词： 太赫兹波 太赫兹波参量振荡 电磁耦子 闪锌矿晶体     

太赫兹波探测光子晶体涂层覆盖目标的可行性

覆盖于高温目标表面的光子晶体红外涂层可实现对目标红外辐射的抑制,而太赫兹波所具有的强穿透特性使其对该类目标的探测成为可能。以相关文献中设计的光子晶体涂层为例,采用特征矩阵理论对0.3~3 THz频率范围内的太赫兹波在该类涂层中的传输特性进行理论计算和分析,重点研究了不同入射角度的太赫兹波在该类涂层中的传输特性。研究发现,上述太赫兹波段处于光子晶体的带隙之外,0.3~0.5 THz频率范围内的太赫兹波对该类红外涂层具有较强的穿透特性,其光谱透过率大于90%;而在2.4~3 THz范围内,其在涂层上具有较强的反射,且整个波段内的吸收率小于0.2%。当入射角小于60°时,其对太赫兹波的传输特性影响较小;进一步增大入射角,其透过率逐渐降低,而反射率逐渐增大。研究结果证明了利用太赫兹波进行涂层覆盖目标探测的可行性,有望利用太赫兹雷达探测弥补红外探测系统的不足。     

有机硅胶受力特性的太赫兹时域光谱表征方法

为探究有机硅胶黏结剂的受力特性，提出了一种基于太赫兹时域光谱特征进行无损表征的方法，利用太赫兹时域透射光谱对有机硅胶胶膜的应力光学系数进行表征，分别以胶膜折射率及时域光谱相位延迟作为参量开展了实验研究，两种方法获得的应力光学系数均为0.18 MPa^-1。利用反射式太赫兹时域光谱系统对不同受力状态下的有机硅胶胶膜进行实验研究，分别给出了胶膜厚度为2 mm和3 mm条件下太赫兹时域光谱延迟时间差与拉应力的变化关系，实验结果与理论规律相一致。研究结果表明，太赫兹时域光谱可有效地对有机硅胶等粘接材料的受力特性进行定量化表征，从而为胶接结构在受力状态下的粘接强度的评估提供一种新的方式。     

超低损耗铌酸锂光子学

铌酸锂光子集成是推动未来高速光通信和光信息处理领域变革性发展的重要前沿技术。介绍了利用铌酸锂光子芯片制造技术制备集成光路中关键光子结构与器件的最新研究进展。得益于单晶铌酸锂晶体的高非线性系数和强电光效应,利用制备的高性能铌酸锂光子器件演示了多种高效的非线性光学过程。     

太赫兹波三维成像技术研究进展

太赫兹波具有良好的光谱特性、非电离性和对许多非极性材料具有穿透性,在无损探伤、安检、生物医学诊断、艺术品鉴别等领域表现出许多独特的优点。特别是,太赫兹波三维成像技术能够实现样品内部信息探测,逐渐成为当前的研究热点,并展现出广阔的发展前景。本文重点介绍了太赫兹波三维成像的几种常用技术,包括其基本原理和对应的研究进展,并分析了存在的问题和发展趋势。     

Difference-frequency terahertz-wave generation from 4-dimethylamino-N-methyl-4-stilbazolium-tosylate by use of an electronically tuned Ti:sapphire laser

Among nonlinear materials, the organic ionic salt crystal 4-dimethylamino- N -methyl-4-stilbazolium-tosylate (DAST) is known for its large nonlinearity. We generated a coherent terahertz (THz) wave, using DAST, from the difference frequency between two oscillating wavelengths of an electronically tuned Ti:sapphire laser. In LiNbO(3), LiTaO(3), KTiOPO(4), and GaP crystals, THz-wave generation was not observed under the same experimental conditions. This result proves the high efficiency of DAST crystals for generation of difference-frequency THz waves.     

Use of the organic crystal DAST for terahertz beam applications

We report the use of the organic crystal DAST as a freely propagating electromagnetic-wave sensor at terahertz (THz) frequency. We also report the result of using a DAST crystal as a mid-IR THz emitter. Compared with the optical rectification from our best ZnTe emitter, that obtained by use of DAST demonstrates a sixfold enhancement of radiation at 7-20 THz.     

Terahertz generation with tandem seeded optical parametric generators

A simple difference frequency generation (DFG) scheme based on two seeded optical parametric generators is presented as a tunable terahertz (THz) source. Using the nonlinear optical crystal 4-dimethylamino-N-methyl-4-stilbazolium-tosylate (DAST) as the DFG crystal, our system has demonstrated continuous and seamless tunable operation from 1.6 to 4.5 THz. The output bandwidth of the THz source is 2.4 GHz. The utility of the source over this spectral range is demonstrated by measuring a high-resolution transmission spectrum of water vapor in air.     

DAST/SiO2 multilayer structure for efficient generation of 6 THz quasi-single-cycle electromagnetic pulses

We propose a DAST/SiO(2) multilayer structure for efficient generation of near-single-cycle THz transients with average frequency around 6 THz via collinear optical rectification of 800 nm femtosecond laser pulses. The use of such a composite material allows compensation for the phase mismatch that accompanies THz generation in bulk DAST crystals. The presented calculations indicate a strong increase in the THz generation efficiency in the DAST/SiO(2) structure in comparison to the case of bulk DAST crystal.     

Far-infrared properties of DAST

Using terahertz time-domain spectroscopy, we have measured the index of refraction and the absorption coefficient of the organic ionic salt 4-N, N-dimethylamino-4?-N?-methyl-stilbazolium tosylate (DAST). This promising organic electro-optic material exhibits strong absorption and dispersion for frequencies above 1 THz at both room temperature and 83 K. No reduction in the absorption strength is observed when DAST is cooled, suggesting a single-phonon origin of the resonances. A simple vibration of the anion and cation of the salt is suggested as the origin of the exceptionally strong far-infrared absorption and the high-frequency electro-optic properties of DAST.     

Widely tunable terahertz-wave generation using an N-benzyl-2-methyl-4-nitroaniline crystal

Widely tunable terahertz (THz)-wave generation using difference frequency generation (DFG) in an organic N-benzyl-2-methyl-4-nitroaniline (BNA) crystal was demonstrated. To our knowledge, this is the first report of THz-wave generation by BNA DFG. Large, high-quality single crystals of BNA (phi 8 mm x 30 mm) were grown using the vertical Bridgman method. The nonlinear optical (NLO) coefficient d(33) of the BNA crystal is approximately 234 pm/V, which is the largest value reported for any yellow NLO material. The collinear phase-matching condition of the type-0 configuration is satisfied using a 0.7-1 microm band pump wavelength. We generated THz waves using an organic BNA crystal; the generation range is 0.1-15 THz.     

利用国内生长的有机晶体DAST作为THz源的研究

利用时域光谱技术分别测量了通过光整流法在国内新生长的有机晶体DAST和国际常用的高效能THz晶体ZnTe中产生的THz脉冲的时域光谱,也测量和分析了有机晶体DAST在THz波段的色散和吸收特性,并通过热辐射探测计(4.2 K Si-bolometer)测量了THz脉冲的绝对能量。结果表明,国内新生长的有机晶体DAST的确是一种高效率的THz产生晶体,优化生长条件后将可得到更高的产生效率。     

Widely tunable broadband terahertz radiation generation using a configurationally locked polyene 2-[3-(4-hydroxystyryl)-5,5-dimethylcyclohex-2-enylidene] malononitrile crystal via difference frequency generation

Widely tunable terahertz (THz) waves were successfully generated from 0.5 to 10 THz via difference frequency generation (DFG) in a configurationally locked polyene 2-[3-(4-hydroxystyryl)-5,5-dimethylcyclohex-2-enylidene] malononitrile (OH1) crystal. Potassium titanium oxide phosphate optical parametric oscillator pumped by nanosecond Q-switched Nd:YAG laser was used to generate two waves, which were then used to irradiate OH1 crystal. The maximum energy of the generated THz wave was about 461 pJ/pulse. We investigated the dependency of generated THz energy to the excitation pump power density and OH1 crystal thickness. In addition, we compared the THz energy generated by OH1 crystal to 4-N,N-dimethylamino-4′-N′-methyl-4-stilbazolium tosylate (DAST) crystal using DFG, and we achieved 560 times higher energy using OH1 crystal than DAST crystal at around 1.1 THz.