差频可调谐太赫兹技术的新进展

太赫兹技术在最近30年来得到快速发展, 并在医学、生物、农业、材料、安检、通信、天文等领域得到广泛应用. 从太赫兹源的频谱特性可以分为窄带(单频)太赫兹源和宽带太赫兹源. 从频谱技术方面来说, 相干的宽带和窄带太赫兹谱是一种互补性关系, 具有各自的技术特点和应用范围. 宽带太赫兹谱可以用于快速获取较宽频谱范围的分子振转谱, 实现混合特征谱的快速检测或成像. 窄带太赫兹源具有很好的光谱灵敏度和分辨率, 适用于太赫兹抽运-探测、分子振转能级谱精细结构分辨 以及太赫兹远程探测和成像. 因此研制具有可调谐的高峰值功率的窄带太赫兹源是适用于探测和识别分子振转能级指纹谱的应用需求, 而差频技术是获得高功率和宽调谐窄带太赫兹源最重要的技术之一. 为了突出该技术的最新进展, 本综述引证论文仅仅限于近5 年来基于差频技术产生太赫兹波的研究进展, 分为光学激光差频源和量子级联激光器差频源两大部分. 对于光学激光差频源, 分别对目前文献报道的各种双波长差频源和太赫兹产生用的非线性晶体进行分类介绍, 并给出所采用的技术和实验结果; 对于量子级联激光器差频源, 分别介绍了量子级联激光器中的差频产生技术和波长调谐技术的最新进展. 量子级联激光器差频太赫兹源是目前实现量子级联激光器在太赫兹波段室温运转的惟一技术, 是实现小型化、窄带宽调谐和室温运转太赫兹源的新发展领域, 值得关注.     

面向片上传感量子级联激光器的研究进展（特邀）

作为一种新型半导体激光器,量子级联激光器因其独特的子带间跃迁机制,具有高速响应、高非线性、输出波长大范围可调等特点。近年来随着输出光功率和电光转化效率等性能指标的快速提升,量子级联激光器已成为中红外至太赫兹波段（波长约为3～300μm）的主流激光光源,在大气污染监控、气体检测、太赫兹成像、生物医疗以及空间光通信等领域具有重要科学意义和应用价值。本文阐释了量子级联激光器的发展历程以及工作原理;分别重点讨论了中红外量子级联激光器在高效率、大功率、波长可调谐以及片上传感的应用等方面的研究进展,并对基于中红外量子级联激光器差频太赫兹光源和光频梳的发展进行叙述,最后进行了简要总结与展望。     

磷化镓高功率太赫兹共线差频源的研究

在众多实现太赫兹辐射的方法中, 非线性光学共线差频能够实现高功率、宽波段、连续可调谐的太赫兹波辐射. 理论分析表明, 各向同性磷化镓晶体, 在1064 nm附近波长激光共线差频下具有毫米量级的相干长度, 能够满足高功率宽波段的太赫兹辐射条件.实验证明, 磷化镓晶体共线差频实现高功率宽波段的太赫兹光辐射, 其太赫兹光波长调谐范围为95.9–773.4 μm (0.39–3.13 THz), 最高峰值功率7 W位于频率2.0 THz处.该实验结果与理论计算基本保持一致. 关键词： 太赫兹源 磷化镓 共线差频     

基于光放大的长脉冲抽运太赫兹激光

为了获得较窄增益带宽、较大光强的太赫兹辐射,尝试了利用TEA CO₂激光器对6 W可调谐连续波CO₂种子激光实行双程光放大实验,以期望获得长脉冲、高峰值功率的抽运光.通过实验,获得了大约30倍的放大系数,放大光输出功率随种子光注入功率的增加而增加,其中10 P （20）支线表现更加突出,并且被放大的激光支线半峰全宽在14 μs左右.基于这种长脉冲抽运源,建立了一种产生脉冲太赫兹的动力学模型,给出了产生太赫兹辐射的饱和抽运光强表达式,确定了抽运光的光强范围.另外, 关键词： 激光物理 长脉冲 动力学模型 太赫兹激光     

远红外自由电子激光太赫兹光源研究

基于射频电子直线加速器的可调谐相干太赫兹(THZ)光源实现了出光，该光源为远红外自由电子激光，具有辐射波长可设计并可以实现大范围调谐特性．利用光栅谱仪测量了受激辐射谱，中心波长为115μm，谱宽约为1％．     

级联参量振荡产生太赫兹辐射的理论研究

针对光学参量振荡产生太赫兹波转换效率低的缺点, 提出了级联参量振荡产生太赫兹波的新机理以提高转换效率. 以周期极化铌酸锂晶体为例, 对级联参量振荡产生太赫兹波的原理和过程进行了理论研究. 分析了抽运光波长、周期极化铌酸锂晶体极化周期和工作温度对产生一阶、二阶闲频光频率的影响. 推导了三波共线相互作用条件下太赫兹波的增益特性和吸收特性. 计算结果表明, 通过级联参量振荡可以有效提高太赫兹波的转换效率, 并可以得到宽调谐的太赫兹波输出. 基于分析结果, 设计了周期极化铌酸锂晶体级联参量振荡产生高效率、宽调谐、窄线宽、连续太赫兹波的实验. 关键词： 太赫兹波 太赫兹波参量振荡 级联参量振荡     

GaP波导型发射器产生频率可调谐太赫兹脉冲

报道了利用脉宽可调的光子晶体光纤飞秒激光放大器抽运矩形波导结构的GaP晶体太赫兹(THz) 发射器产生频率可调谐的超快THz脉冲.非线性晶体中光整流过程产生的THz辐射频率随抽运光脉冲宽度而 变化. GaP波导THz发射器可通过波导的几何尺寸来控制色散,以达到增加有效作用长度和提高输出功率的目的. 不同横截面尺寸的波导型发射器的THz辐射峰值频率随相位匹配条件的改变而改变,加以脉宽调节技术, 可以在大频谱范围获得频谱精细可调的THz脉冲.实验中在1 mm×0.7 mm的波导型THz发射器中获得了 频率可调谐的THz脉冲.提出实现THz辐射频率大范围调谐的GaP波导型阵列发射器的实施方案.     

基于GaSe和ZnGeP2晶体差频产生可调谐太赫兹辐射的理论研究

基于非线性光学频率变换理论,采用已报道的利用非线性光学差频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,计算模拟出在不同相位匹配条件下,GaSe和ZnGeP2晶体差频的相位匹配角、走离角、允许角和有效非线性系数,并对计算结果进行了分析比较,总结出对应输出不同太赫兹波长的最佳相位匹配方式.计算结果为利用非线性晶体差频产生可调谐太赫兹辐射的实验研究提供深入和全面的理论基础.     

利用光孤子机制实现超宽范围波长调谐的理论和实验研究

以获得光参量啁啾脉冲放大系统主激光与抽运光两种波长、宽带、超短脉冲的产生及精密同步为目标,探索采用光孤子机制实现超宽带宽范围的可调谐超短脉冲产生. 数值模拟了孤子传输过程中的时域-频域演化过程及与其他非线性效应的相互作用过程和特性. 实验验证了利用光孤子机制产生可调谐脉冲的方法. 同时还观察到孤子的形成、分裂、自频移等现象,在可见光到近红外波段都演示了波长可调谐的输出特性,并且与理论分析结果符合较好. 关键词： 光参量啁啾脉冲放大 可调谐脉冲产生 非线性薛定谔方程 孤子机制     

级联差频产生太赫兹辐射的理论研究

针对差频产生太赫兹(THz)辐射转换效率低的缺点,提出了级联差频的新机理以提高转换效率,并以ZnTe晶体为例,对级联差频产生THz辐射的原理和过程进行了理论研究.通过对级联差频耦合波方程组的求解,得出了ZnTe晶体中级联差频的最佳抽运条件和ZnTe晶体的最佳长度,并且分析了晶体吸收、波矢失配及抽运强度对级联差频的影响.计算结果表明,通过级联差频可以大大提高THz波的转换效率,其光子转换效率甚至可以超过Manley-Rowe关系的限制. 关键词： 太赫兹辐射 差频 级联 ZnTe晶体     

基于GaSe和ZnGeP2晶体差频产生可调谐太赫兹辐射的理论研究

基于非线性光学频率变换理论,采用已报道的利用非线性光学差频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,计算模拟出在不同相位匹配条件下,GaSe和ZnGeP₂晶体差频的相位匹配角、走离角、允许角和有效非线性系数,并对计算结果进行了分析比较,总结出对应输出不同太赫兹波长的最佳相位匹配方式.计算结果为利用非线性晶体差频产生可调谐太赫兹辐射的实验研究提供深入和全面的理论基础. 关键词： 太赫兹波 GaSe晶体 2晶体')" href="#">ZnGeP₂晶体 差频     

太赫兹半导体激光光频梳研究进展

光频梳由一系列等间距、高稳定性的频率线组成.由于具有超高频率稳定性和超低相位噪声,光频梳在精密光谱测量、成像、通信等领域具有重要应用.在太赫兹波段,基于半导体的电抽运太赫兹量子级联激光器具有大功率输出、宽频率覆盖范围等特点,是产生太赫兹光频梳的理想载体.本文主要介绍基于太赫兹半导体量子级联激光器光频梳的研究进展,详细列举了自由运行、主动稳频和被动稳频模式下产生光频梳的方法.双光梳光谱可以克服传统太赫兹光谱仪需要机械扫描系统而难以实现实时光谱检测的难题,是光频梳应用的主要方向.在光频梳基础之上,本文还介绍了采用两个太赫兹量子级联激光器产生双光梳的方法和应用.     

双波长外腔面发射激光器

双波长激光光源在干涉测量、非线性频率变换产生中红外及太赫兹波段相干辐射等方面有重要的应用.外腔面发射激光器具有输出功率高、光束质量好、发射波长可设计等突出优势,非常适合用于双波长的产生.用有源区为In0.185Ga0.815As/GaAs应变多量子阱、设计波长为960 nm,以及有源区为In0.26Ga0.74As/GaAsP0.02应变多量子阱、设计波长为1080 nm的两块半导体增益芯片,在一个共线Y型谐振腔中,获得了激光波长分别为953 nm和1100 nm的双波长输出,对应光谱线宽为1.1 nm和2.7 nm,波长间隔147 nm.室温下,每块增益芯片的抽运吸收功率均为5.8 W时,双波长激光器总的输出功率达到293 mW.     

单到单和单到双信道皮秒脉冲全光波长转换的实验研究

基于周期极化反转铌酸锂（PPLN）光波导级联倍频和差频（SHG+DFG）的二阶非线性效应,提出并实验研究了皮秒脉冲的可调谐波长转换以及单信道到双信道的波长转换.信号光采用重复频率为40 GHz,脉宽为1.57 ps的脉冲信号.连续抽运光由光纤环形腔激光器（FRL）提供.不同于传统的SHG+DFG型波长转换,信号光固定在PPLN光波导倍频过程的准相位匹配（QPM）波长处,通过调节抽运光的波长实现了转换空闲光的可调谐输出.当使用两个抽运光时实验观察到了单信道到双信道的波长转换.     

利用各向同性半导体晶体差频产生可调谐THz辐射的理论研究

理论研究了利用剩余射线带色散补偿相位匹配原理，在Ⅲ-Ⅴ族和Ⅱ-Ⅳ族光学各向同性的半导体非线性晶体中差频产生可调谐THz波的可行性问题.根据这些半导体材料的色散特性，并以近简并点双共振KTP-OPO的可调谐相干双波长输出作为差频抽运源，对它们的相位匹配能力、差频增益特性、品质因数以及差频过程中的相干长度进行了理论分析和计算，确定了ZnTe晶体是在共线相位匹配情况下较为理想的THz波差频晶体，而InP晶体则更适合用于非共线相位匹配情况. 关键词： 非线性光学 THz辐射 差频 各向同性半导体晶体     

微结构光纤近红外色散波产生的研究

采用有限元法对实验室自制的非线性微结构光纤进行理论分析, 表明该光纤具有良好的非线性和色散波产生的相位匹配特性. 为实现微结构光纤非线性的全光纤化, 本实验采用中心波长为1032 nm的光纤飞秒激光器作为抽运源, 获得了753–789 nm 的近红外色散波. 实验中发现色散波中心波长和带宽随着抽运功率的改变会产生明显变化, 并且在不同光纤长度时, 色散波的频移量不同, 脉冲展宽及频谱也会有明显的变化. 实验结果与理论分析一致. 这些结果对实现微结构光纤非线性的全光纤化具有良好的借鉴作用, 为生物医疗应用特别是非线性光学显微成像术的近红外光源研究打下基础.     

飞秒超强激光驱动太赫兹辐射特性的实验研究

强太赫兹源是太赫兹科学技术发展的关键,其中大能量强场太赫兹脉冲源在超快物态调控、新型电子加速器等领域具有重要的应用前景.超快超强激光与等离子体相互作用是近年来发展起来的一种新型的强场太赫兹辐射产生途径.本文报道了利用超强飞秒激光脉冲与金属薄膜靶作用产生太赫兹辐射的实验结果,研究了激光能量和离焦量对靶后太赫兹辐射能量的影响,并通过监测激光背向散射光谱,定性揭示了其变化规律与不同光强下的电子加热机制的相关性.实验表征了太赫兹辐射的频谱、偏振及聚焦光斑情况.测量结果表明,实验产生了脉冲能量达458μJ、聚焦场强高达GV/m量级的超宽带太赫兹辐射,为开展极端太赫兹脉冲与物质相互作用研究提供了一种新的强场太赫兹光源.     

基于四波混频效应的窄带太赫兹波源

采用频率差在太赫兹范围的双波长激光器进行泵浦,利用光纤的四波混频效应,得到结构紧凑、频率可调的窄带太赫兹波源。为减小光纤材料对太赫兹波的吸收,采用了表面发射机制。从耦合波理论出发,详细分析了保偏光纤中的四波混频过程,得到了太赫兹波输出功率的解析表达式,并讨论了实现相位匹配的条件。结果表明,太赫兹波功率与泵浦光功率和光纤长度成正比,与太赫兹波长的3次方成反比。当泵浦光峰值功率为1 kW,在6 THz处得到的太赫兹波峰值功率达350 mW,功率转换效率约为0.01%。通过合理设置泵浦波长,可以实现太赫兹辐射在3~8 THz范围内连续调谐。该方案提供了一种新型的高功率、紧凑型的窄带太赫兹辐射源。     

整形超短激光脉冲与硒化镓晶体光整流效应的可调谐宽带太赫兹波产生

从非线性光学基本原理出发研究了整形超短激光脉冲与硒化镓晶体光整流效应产生的可调谐宽带太赫兹辐射,并采用数值计算对上述过程进行了仿真研究,探索了整形激光脉冲参数对太赫兹辐射的影响。研究发现,利用4F整形系统调节激光频谱分量获得的整形超短激光脉冲与硒化镓晶体的光整流效应可以产生频谱可调的宽带太赫兹辐射,并且可以使太赫兹脉冲的中心频率由高频部分向低频部分调制,同时带宽也会发生一定的变化。     

基于光纤环形腔激光器的可调谐全光波长转换器的研究

在光纤环形腔激光器中引入周期极化反转铌酸锂(PPLN)光波导，用该激光器产生的连续光作为抽运光和控制光，使其与外加的信号光发生非线性效应实现可调谐波长转换.介绍了基于准相位匹配的PPLN光波导中的和频与差频级联型全光波长转换器的基本原理.对抽运光、信号光、控制光以及转换光的光功率随着PPLN光波导的变化进行了模拟.还对转换效率随着转换光波长的变化进行了数值计算.实验验证了该波长转换器的可调谐性. 关键词： 周期极化反转铌酸锂 和频与差频 可调谐全光波长转换 光纤环形腔激光器