太赫兹参量源研究进展

太赫兹参量源是一种激光驱动的太赫兹辐射源,它具有高相干性、可调谐、室温运转等优点。在简要介绍太赫兹参量源的基本原理后,重点总结了近年来国内外对太赫兹参量源的代表性研究成果,主要包括:1)太赫兹参量源中常用的几种非线性晶体,包括铌酸锂、磷酸钛氧钾、砷酸钛氧钾、磷酸钛氧铷; 2)大单脉冲能量太赫兹参量源,主要产生方法包括使用垂直表面出射结构、使用环形腔、增加非线性晶体损伤阈值等,目前报道的最大单脉冲能量达到17μJ; 3)高平均功率太赫兹参量源,主要产生方法包括使用半导体激光器侧面泵浦激光器、兼顾提高泵浦光脉冲能量和脉冲重复频率等,目前报道的最大平均功率为367μW; 4)太赫兹参量源的理论模拟,主要包括以耦合波方程为基础的,分别针对太赫兹参量产生器、种子注入式太赫兹参量产生器、内腔泵浦与外腔泵浦太赫兹参量振荡器建立的理论模型。     

太赫兹波参量发生器运转特性的理论研究

从差频中三波耦合波方程出发深入探讨了太赫兹波参量发生器中自发辐射、受激辐射、位相匹配等现象的物理本质,提出自发辐射产生的物理原理来自测不准关系,受激辐射产生的物理原理来自受激喇曼散射,波矢量位相匹配的物理原理来自能量与动量守恒等结论。     

表面出射太赫兹波参量振荡器的设计与增强输出

利用一台多纵模调Q Nd:YAG激光器泵浦的浅表垂直发射太赫兹波参量振荡器参量产生了高功率可调谐太赫兹波辐射。推导了非共线相位匹配条件下的有效参量增益长度以优化太赫兹波参量振荡器参数。实验测得太赫兹波的调谐范围为0.77~2.83 THz。当泵浦功率密度为222.3 MW/cm2时,在1.78 THz处太赫兹波的最大输出能量为347.8 nJ/pulse,对应的能量转化效率为3.9110-6。太赫兹波在垂直方向上的远场发散角为0.020 4 rad,在水平方向上为0.006 8 rad。     

硅棱镜耦合输出THz波参量振荡器的实验研究

利用一块MgO:LiNbO3晶体,采用Si棱镜耦合出射方式构成太赫兹(THz)波参量振荡器,实现了高效可调谐的THz波输出,调谐范围为0.95～2.10THz。在1.80THz处,当泵浦能量为101mJ时,产生的THz波平均功率为580nW,THz波单脉冲能量为58nJ,THz波能量转换效率为5.74×10-7;同时产生的Stokes能量为2.7mJ。实验中,观察到了一阶和二阶Stokes光,一阶Stokes光与泵浦光的频差等于产生的THz波的频率。     

铌酸锂晶体中参量振荡产生高功率可调谐太赫兹波的实验研究

利用一块大体积MgO:LiNbO3晶体,采用浅表垂直出射方式构成太赫兹(THz)波参量振荡器(TPO),实现了高功率可调谐的THz波输出,调谐范围为0.8~2.8 THz。当抽运功率密度为197.4 MW/cm2时,在1.73 THz处每个THz脉冲的最大输出能量为173.9 nJ,对应的能量转换效率为2.2×10-6。实验过程中观察到了一阶和二阶斯托克斯(Stokes)光,一阶Stokes光相对于抽运光的频移等于产生的THz波的频率。     

GaAs参量振荡产生太赫兹波的腔相位匹配研究

基于腔相位匹配的方法,研究了GaAs微片状晶体构成的光学微腔光参量振荡产生太赫兹波的条件与参数设计.计算了腔相位匹配下GaAs晶体的最优化腔长,通过调节GaAs晶体的温度研究了太赫兹波的输出情况,模拟了不同波长下最低的能量阈值.结果表明,在完全相位匹配很难实现的情况下,采用腔相位匹配能很容易地实现大范围的太赫兹波调谐输出.结果为小型化光学太赫兹源的实验与理论研究提供了参考.     

LiNbO3晶体的太赫兹参量振荡器设计

采用参量振荡方法实现太赫兹辐射(THz-wave Parametric Oscillator,TPO),因只需一个固定波长的泵浦源和一块非线性晶体,且具有非线性转换效率高、调谐简单而倍受瞩目.以LiNbO3晶体为例,采用Q调制的Nd:YAG激光器(1.064μm)为泵浦源,角度匹配的非共线相位匹配方式,设计了太赫兹参量振荡器,实现了当入射角α从8.2°变化到14°,相位匹配角θ相应地从16.2°变化到54.75°,太赫兹波与泵浦光之间的夹角β从8.84°～67.88°,闲频光从1.068μm变化到1.079 6μm,太赫兹波从284～74μm(1～4 THz)的连续太赫兹波振荡.     

新型内腔太赫兹波参量振荡器的设计与阈值分析(英文)

设计了一种新型的表面辐射内腔太赫兹波参量振荡器,交叉谐振腔结构允许增益介质放置在泵浦光谐振腔内,使用浅表垂直辐射结构能够从铌酸锂晶体中有效耦合输出太赫兹波。推导了在太赫兹波参量振荡器中非共线相位匹配条件下有效参量增益长度的表达式。大的泵浦光尺寸和长的增益介质长度能增加有效参量增益长度。在有效参量增益长度表达式的基础上推导了太赫兹波参量振荡器的阈值表达式,在不同的参数条件下理论分析了谐振腔阈值表达式。大尺寸泵浦光、低频太赫兹波、短谐振腔腔长、斯托克斯光高反射率输出镜、长增益介质能有效降低太赫兹波参量振荡器阈值。文中的阈值分析对太赫兹参量振荡器的实验研究有参考价值。     

太赫兹波光学参量效应放大特性的理论研究

针对太赫兹波光学参量效应中增益介质对太赫兹波强烈吸收的特点,提出光学参量效应中泵浦光、斯托克斯光和太赫兹波三波共线相互作用可以有效放大太赫兹波。以周期极化铌酸锂晶体为例,通过解耦合波方程,在不同的近似条件下分析了前向和后向太赫兹波的放大特性。计算结果表明,在太赫兹波吸收系数远大于太赫兹波增益系数的条件下,泵浦光、斯托克斯光和太赫兹波三波共线作用可以有效提高太赫兹波功率。分析结果对周期极化铌酸锂晶体光学参量振荡产生太赫兹波的实验研究提供深入和全面的理论基础。     

基于光学方法的太赫兹辐射源

太赫兹波技术在物理、化学、生命科学等基础研究学科,以及医学成像、安全检查、产品检测、空间通信、武器制导等应用学科都具有重要的研究价值和应用前景,而太赫兹辐射源正是太赫兹技术发展的关键部分。概述了基于光学方法产生太赫兹辐射的几种常用方法,着重叙述了利用非线性光学差频技术和基于横向晶格振动光学模受激电磁耦子散射过程的太赫兹参量振荡技术工作原理,以及目前的研究状况,并对这两种方法产生太赫兹波辐射源未来的发展方向进行了展望。     

基于石墨烯材料的太赫兹波探测器研究进展

太赫兹波具有瞬态性、宽带性、穿透性和低能性等一系列独特性质,使其在材料研究、信息传递、环境检测、国防安全、医疗服务等方面展现了非常广阔的应用前景。作为该领域应用的关键,太赫兹探测器得到科研人员极大的重视。一般来讲,探测器的性能很大程度上依赖于基质材料的特性。石墨烯具有2个非常重要的优势,一是石墨烯具有线性能带结构,使得能够吸收太赫兹波;二是石墨烯具有超高载流子迁移率,能够进行超快探测。因此,石墨烯基有望成为太赫兹频段新一代高性能探测器的基质材料。详细综述了近几年关于石墨烯基太赫兹探测器的发展状况。     

基于磁性介质棒的可调太赫兹波吸收器研究

设计了一种中心吸收频率可调的太赫兹波吸收器。在开口谐振环两侧引入磁性介质棒(钇铁石榴石),在改变外加磁场的条件下,通过影响开口谐振环周围环境的有效磁导率来控制中心吸收频率的大小。计算仿真结果表明,当磁感应强度从0 T变化到18 T时,该吸收器的中心吸收频率变化范围高达4 GHz(0.532~0.536 THz),而且吸收率均超过99%。     

飞秒激光成丝过程中的太赫兹波超光速传输现象研究

通过使用太赫兹(Terahertz,THz)时域光谱系统,探测从不同长度飞秒激光光丝辐射出的THz脉冲,观察到THz波在飞秒激光成丝过程中超光速传输的实验现象。进一步的分析表明:THz波在等离子体光丝区域的折射率小于其在空气中的折射率,这是使得THz波能够在成丝过程中超光速传输的主要原因。由此可以推测:THz脉冲极有可能是在等离子体光丝中进行导引传输的。最后,通过数值模拟获得了光丝区域内的THz本征模式,从而验证了上述推测。     

高能量、快速可调谐太赫兹参量振荡器

基于受激电磁耦子散射的太赫兹(THz)波参量振荡器是产生高能量、相干THz波的有效手段之一,实验中采用垂直晶体表面出射结构,在1.63 THz处实现了最高单脉冲能量为634 nJ的THz波输出。利用电控振镜快速改变泵浦光入射到MgO:LN晶体中的角度,实现了0.75 THz~2.81 THz范围内的快速调谐,该辐射源可以满足THz波在生物医学、太赫兹通信、环境监测等应用领域的需求。     

高效率光学参量发生器

早期光学参量效应方面的研究着重于光学参量振荡器(OPO),近年来随着超短脉冲技术的发展,光学参量发生器(OPG)以其没有谐振腔的特殊优势得到了迅度发展。 目前,在光学参量发生器后再加一级光学参量放大器,人们已经取得了参量转换效率超过50％的出色成果。     

非共线相位匹配太赫兹波参量振荡器级联参量过程的研究

在铌酸锂晶体非共线相位匹配太赫兹波参量振荡器中观察到了级联光学参量效应.实验中测量到了一阶、二阶和三阶斯托克斯光.通过分析一阶、二阶和三阶斯托克斯光谱发现相邻阶斯托克斯光频率差相等,表明在太赫兹波的产生过程中发生了级联光学参量效应.在高阶级联光学参量过程中,一个泵浦光子可以产生多个太赫兹光子,表明在太赫兹波产生过程中量子转换效率会有效提高.     

程控任意波形功率电源的研究

采用了以单片机为核心,应用大规模集成逻辑器件FPGA、高速D/A转换器MAX5885和功率放大电路的方案设计了一款任意波形功率驱动电源.系统由单片机控制各个模块,频率合成电路合成所需的不同频率的时钟作为控制地址计数器的时钟信号,而地址计数器的计数输出提供读取存储的数字波形数据的地址,数据经数模转换为模拟信号并经过功率放大后输出.该电源可以双路输出1 H～-1 MHz频率范围内幅度、频率和相位可调的任意波形,同时将输出信号进行功率放大以达到有效驱动负载的目的.测试结果表明,该电源在最大输出电流为2A时最大输出功率为200 W.     

等离子体鞘套中太赫兹波传输特性研究

采用散射矩阵方法(SMM)研究太赫兹波在非磁化、非均匀等离子体鞘套中的传输特性。在假定等离子体电子密度分布为双指数分布条件下,对太赫兹波斜入射等离子体时的功率反射系数、透射系数及吸收系数进行了仿真,还对其随太赫兹波的入射角度、太赫兹波的频率、等离子体的碰撞频率、等离子体分布形态的变化规律进行了总结。研究结果表明,在上述条件下,太赫兹波在等离子体中均有较好的传输特性。总体上来说,随着太赫兹波频率的提高,太赫兹波在等离子体中的透射性更好,可以考虑提升载频至太赫兹波段来解决通信黑障问题。