偏振方向对THz电光探测影响的理论研究

采用线性电光效应耦合波理论，系统地研究了用无中心反演对称性的立方晶系晶体作为探测晶体时，terahertz(THz)辐射信号和探测光的偏振方向对电光探测的影响. 研究结果发现，THz辐射和探测光的偏振方向都对电光探测影响很大，沿(110)方向传播时可以获得最大的探测灵敏度，最适合THz的横场探测. 计算研究的部分结果与已有的实验结果相一致，可为电光探测器的设计提供有用的指导. 关键词： 电光探测 THz辐射 偏振 线性电光效应耦合波理论     

ZnTe晶体中光学整流产生的THz辐射及其电光探测研究

借助抽运-探测技术研究了ZnTe晶体中光学整流产生的太赫兹(THz)辐射，利用ZnTe晶体的线性电光效应探测THz辐射场分布，观察到了较窄(约为0.2 ps)的THz场分布及相应较宽(响应超过4 THz，半峰宽约为2.4 THz)的THz频谱，并运用琼斯矩阵对实验结果进行了理论拟合. 研究了飞秒激光脉冲波长(750—850 nm)、脉冲宽度(56—225 fs)和晶体旋转与THz辐射产生的关系. 同时改变探测光偏振方向进行偏振调制，并从理论上分析了偏振调制对THz辐射探测的影响. 关键词： THz辐射 光学整流 电光探测 ZnTe     

双轴晶体电光调制器的最优设计

运用新的线性电光效应的耦合波理论，对双轴晶体KTP电光调制器的温度特性进行了理论研究.找到了一个入射光波矢的方向，在该方向上，出射光光强不随温度的变化而变化，而且此方向在一定的角度范围内变动，温度的稳定性是可以保持的.还进一步对晶体的通光长度和外加电场的方向进行了筛选，实现了双轴晶体KTP电光调制器的最优设计. 关键词： 电光效应 耦合波理论 电光调制器 最优设计     

电光调制器的温度特性及其最优化设计

利用线性电光效应的波耦合理论对铌酸锂晶体电光调制器的温度特性进行研究,给出了不同光波波矢和晶体光轴夹角情况下电光效应的温度变化特性,发现可以利用角度调节来克服电光调制器的温度敏感性;在此基础上,进一步对电光调制器进行了最优化设计,得到一个半波电压小(几十伏)、零场泄漏几乎为零(零电压出射光强和入射光强比为0．0027)、消光比达到365．6、温度性能稳定而且不需要透明电极的一个设计。     

一种新的偏振无关电光调制器

提出一种全新的偏振无关强度调制器设计原理.这种调制器只需要一个电光晶体,不需要辅助偏振片,电极设计和制作相当简单.采用线性电光效应耦合波理论对光在调制器中的传播行为进行详细的研究,经过理论计算,发现光通过调制器后,出射的调制光强不依赖于入射光的偏振状态.最后,以4 mm晶系中的SBN和KNSBN为例,给出调制器在横向应用时电光晶体优化切割方案.     

THz电磁场的新型电光探测技术及应用

介绍了一种基于线电光效应和适用于探测自由空间传播ＴＨｚ是磁辐射场的新型电光技术及潜在应用，给出最新的实验研究成果，综合比较得出用电光晶体探测ＴＨｚ电磁辐射波形明显优于传统光导偶极天线探测技术，并指出该新型电光探测系统在实时二维远红外成像技术应用中有很好的发展前景。     

用电光采样法测量相对论电子束团长度

介绍了电光采样法测量电子束束团长度的实验原理和装置,理论分析并模拟计算了被测电子束团库仑场分布、ZnTe晶体的电光效应与束团电场的关系,并利用琼斯矩阵法分析了探测光通过电光晶体时在束团电场作用下的偏振变化、测量信号与束团长度的关系等。分析表明:测量中应使束团库仑场垂直于ZnTe的［001］方向,探测光偏振方向与ZnTe晶体y″轴成45°或者135°夹角,1/4波片快轴与探测光偏振方向夹角应取45°,这时平衡探测器输出信号与束团库仑场Eb成正比。1/4波片的作用是将电光晶体的工作点从非线性段移到线性段,平衡探测的作用是简化信号与Eb的关系,并提高信噪比。为实际测量应用提供参考。     

用电光采样法测量相对论电子束团长度

 介绍了电光采样法测量电子束束团长度的实验原理和装置,理论分析并模拟计算了被测电子束团库仑场分布、ZnTe晶体的电光效应与束团电场的关系,并利用琼斯矩阵法分析了探测光通过电光晶体时在束团电场作用下的偏振变化、测量信号与束团长度的关系等。分析表明：测量中应使束团库仑场垂直于ZnTe的［001］方向,探测光偏振方向与ZnTe晶体y″轴成45°或者135°夹角,1/4波片快轴与探测光偏振方向夹角应取45°,这时平衡探测器输出信号与束团库仑场Eb成正比。1/4波片的作用是将电光晶体的工作点从非线性段移到线性段,平衡探测的作用是简化信号与Eb的关系,并提高信噪比。为实际测量应用提供参考。     

电光调制对外部光反馈垂直腔表面发射激光器输出矢量混沌偏振的操控

基于周期性极化铌酸锂晶体的线性电光效应耦合波理论,数值研究了电光调制对外部光反馈垂直腔表面发射激光器(VCSEL)输出矢量混沌偏振模的操控.研究结果表明,VCSEL输出的偏振度随着电光晶体的长度或施加于电光晶体的外电场强度成周期性转换,控制一定的施加外电场强度和晶体的长度,激光器的不同参数下引起初始混沌偏振态都可以转换为其他任意混沌偏振态.特别是合理选择一定的施加外电场强度或晶体长度,VCSEL输出的任意混沌偏振模可以转换为完全一致的两线性混沌偏振模(x和ŷ偏振),即两线性混沌偏振模的能量能够达到稳定和完全均衡.     

一种利用电光效应测量微小转角的新方法

利用线性电光效应发展出一种新的、高准确度的微小转角测量法.根据W.L. She等人提出的线性电光效应耦合波理论，求得出射光强与入射光强比值（即出射率）对入射光方向的依赖曲线，利用该曲线，通过测量出射率可以确定入射光的方向.并根据此原理，设计了一套简单的装置，该装置可以测量出物体微小转角的变化量，同时测量范围及准确度都可通过外加电场和入射光波长加以调节.对此微小转角测量法作了理论分析，在LiNbO3器件上，得到测量范围大于3′，准确度为3.5″的设计结果.     

Temporal characterization of femtosecond laser-plasma-accelerated electron bunches using terahertz radiation

The temporal profile of relativistic laser-plasma-accelerated electron bunches has been characterized. Coherent transition radiation at THz frequencies, emitted at the plasma-vacuum boundary, was measured through electro-optic sampling. Frequencies up to the crystal detection limit of 4 THz were observed. Comparison between data and theory indicates that THz radiation from bunches with structure shorter than approximately = 50 fs (root-mean-square) is emitted. The measurement demonstrates both shot-to-shot stability of the laser-plasma accelerator and femtosecond synchronization between bunch and probe beam.     

Sampling of free-space magnetic pulses

We report free-space detection of magnetic pulses via the Faraday effect with shot-noise limited detection. This allows a 10^–8 T / Hz magnetic field resolution. The orthogonal propagation of the optical probe beam and the THz waves demonstrate a 1.3 ps risetime with a 400 GHz frequency bandwidth. The temporal and frequency responses of several crystals are reported with a theoretical response function analysis presented. The dispersion of the magnetic pulse into the sensor crystal is illustrated with a theoretical simulation for comparison. We also contrast the properties of electro-optic sampling with this magneto-optic sampling technique.     

Highly efficient terahertz electro-optic sampling by material optimization at 1060 nm

Different electro-optic crystals (CdTe, DAST, GaAs, GaP, and ZnTe) are investigated with respect to their ability as detection crystals for terahertz pulse electro-optic sampling at a wavelength of 1060 nm. Calculations of the detection response are in good qualitative agreement with experimental results. While CdTe shows the strongest signal for applications below 1 THz, GaP exhibits a broadband spectrum. By the choice of an adequate crystal a comparable detection efficiency to electro-optic sampling at a wavelength of 800 nm can be achieved.     

单发太赫兹时域光谱技术

太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)广泛应用于材料、生物医学、化学、药学、安检等诸多领域。传统扫描式THz-TDS技术需要通过改变探测光延时逐点扫描并重构时域信号,仅适合于具有较高重复频率且稳定的太赫兹辐射源情形下的样品探测。在低重复频率或涨落较大的太赫兹辐射源情形下和不可逆过程中样品的探测,扫描式THz-TDS不再适用,需要使用单发THz-TDS技术,单发THz-TDS技术原则上仅需要一个激光脉冲就可以获取一个完整的太赫兹时域脉冲波形。介绍几种主要的单发THz-TDS探测技术,这些技术都利用了电光晶体的泡克尔斯效应,通过测量探测光的某个物理量的变化来提取太赫兹信号。根据探测方法不同可分为光谱编码、空间编码和互相关等技术。在光谱编码技术中,探测光不同频率成分在时间上发生分离,不同时间成分分别被太赫兹脉冲不同时刻电场调制,通过测量探测光各个频率被太赫兹脉冲调制前后的光谱的变化提取太赫兹脉冲波形。该方法光路简单,测量结果直观,有较高的信噪比,但其时间分辨率较低,且被测太赫兹信号容易产生失真。为提高被测信号的时间分辨率,有人提出了空间编码技术,即不同位置探测光分别被太赫兹脉冲不同时刻电场调制,通过测量探测光各个位置太赫兹脉冲调制前后的光强变化提取太赫兹脉冲波形。根据不同空间展开方法可分为一维空间编码技术和二维空间编码技术。空间编码技术中虽然有较高的时间分辨率,但由于探测光在空间展开能量分散使得其信噪比相对较低。此外,还有一种较高时间分辨率的技术即互相关技术,可分为共线互相关和非共线互相关技术。在非共线互相关技术中,被太赫兹脉冲调制的激光啁啾脉冲与短脉冲互相关作用产生二次谐波,通过太赫兹脉冲调制前后二次谐波空间分布变化来提取太赫兹信号;在共线互相关技术中被太赫兹脉冲调制的啁啾脉冲与短脉冲共线入射到光谱仪,通过干涉条纹提取太赫兹信号,该技术提高了时间分辨率和信噪比,但光路布置复杂,不能进行实时监测。回顾了这几种单发THz-TDS探测技术的发展历程,综述探测技术的原理、实验方案和测量结果,并讨论了这些探测技术的优势和不足。     

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。     

Nonlinear cross-phase modulation with intense single-cycle terahertz pulses

We have demonstrated nonlinear cross-phase modulation in electro-optic crystals using intense, single-cycle terahertz (THz) radiation. Individual THz pulses, generated by coherent transition radiation emitted by subpicosecond electron bunches, have peak energies of up to 100 microJ per pulse. The time-dependent electric field of the intense THz pulses induces cross-phase modulation in electro-optic crystals through the Pockels effect, leading to spectral shifting, broadening, and modulation of copropagating laser pulses. The observed THz-induced cross-phase modulation agrees well with a time-dependent phase-shift model.     

Single-shot measurement of terahertz electromagnetic pulses by use of electro-optic sampling

We demonstrate a simple scheme for capturing the temporal waveforms of a freely propagating terahertz electromagnetic transient in a single shot. The method relies on electro-optic sampling in a noncollinear geometry for the terahertz radiation and the visible probe beam, coupled with multichannel detection. The approach provides time resolution that is comparable to that of conventional electro-optic sampling measurements.     

Electro-optical detection based on large Kerr effect in polymer-stabilized liquid crystals

In this Letter, polymer-stabilized liquid crystals with experimentally observed large electro-optic effect are introduced to the electro-optical detection to improve the voltage sensitivity. The Kerr constant of materials prepared in this study reached as high as 7.2×10(-9) m/V(2), increasing by 1000 times the sensitivity of the conventional electro-optical materials. The noncontact detection configuration, using a laser beam as a probe, enables quick two-dimensional scanning measurements.