基于受激拉曼散射效应的窄带GaAs太赫兹辐射源及新型太赫兹探测技术的理论研究

摘要

THz波在电磁波谱中所处的位置,及其自身主要特点和在光谱学、材料学、生物医疗、通信,及国防反恐等方面广阔的应用前景,使其受到了越来越多的重视。而THz光子学研究与发展的基础则是对THz源和探测器的研究。本文的主要内容与创新点可归纳如下:
　　 1.本文从Wherrett提出的多光子吸收理论出发研究分析GaAs晶体的光致双光子吸收效应,给出了光致双光子吸收条件下的GaAs晶体色散修正公式；研究了由双光子吸收造成的GaAs晶体的自聚焦效应的大小,及其对光束的空间分布的影响。
　　 2.基于受激拉曼散射的基本原理,利用常见的声子波矢、晶格位移时域方程及等离子体密度速率方程,从理论上分析了泵浦光光强对等离子体振子的影响；数值模拟出不同等离子体密度条件下,晶格位移随时间和频率的变化情况；以及等离子体振子的存在对晶体在红外波段和THz波段的色散情况和晶体吸收情况的影响。数值模拟了斯托克斯光的角度调谐曲线。
　　 3.从理论上研究了内腔泵浦双谐振参量振荡器的腔内泵浦光功率、信号光和闲频光功率的时间演变特性；首次推导出电光调Q双谐振内腔参量振荡器的阈值表达式,并进行了数值模拟。理论分析结果为电光调Q内腔双谐振参量的实验研究提供了全面的理论基础。进行了电光调Q内腔泵浦KTP-OPO在2.128μm附近近简并点双谐振运转的实验,研究了内腔参量振荡过程中信号光和闲频光的角度调谐特性和光谱性质。实验中获得的双谐振振荡的角度调谐范围,与理论计算基本一致。在2.128μm附近获得了重复频率为10Hz的情况下,最大能量60.7mJ、脉宽6.2ns的双谐振输出。
　　 4.我们进行了在单块GaAs晶体中利用其受激拉曼散射效应产生THz辐射的实验。该实验在泵浦光能量10.5～30.5mJ、泵浦光波长2284nm的情况下,基于GaAs晶体由等离子体振子-LO声子相互作用引起的受激拉曼散射效应,通过改变泵浦光能量实现可以实现THz辐射调谐为0.9～3THz的可调谐THz辐射的输出,并给出了由泵浦光能量决定的THz频率的调谐特性。
　　 5.首次对利用菲涅尔相位匹配GaAs晶体实现可调谐THz探测的可行性进行了理论研究计算模拟了GaAs晶体的频率上转换光角度调谐曲线,从理论上研究分析了Goos-Hanchen延迟、晶体表面抛光精度、内反射角允许带宽和有效非线性系数,以及晶体对THz辐射的吸收对上转换效率的影响；首次利用分段分析、叠加的方法推导出在晶体对THz波的吸收不可忽略情况下,菲涅尔非共振相位匹配的上转换效率公式及频率上转换光的输出光强公式。并对菲涅尔相位匹配宽调谐THz探测器进行了实验设计,从而为下一步的试验提供了理论指导。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 太赫兹辐射的主要特点

1.2 太赫兹辐射源的主要分类

1.2.1 基于光整流效应的THz辐射源

1.2.2 基于差频效应的THz辐射

1.2.3 TPO或TPG产生THz辐射

1.2.4 THz光电导天线

1.2.5 光学Cherenkov辐射THz辐射源

1.2.6 半导体量子级联THz辐射源

1.2.7 其他新型光学THz辐射源

1.2.8 真空电子类THz源

1.3 太赫兹探测技术的发展

1.4 太赫兹技术的应用

1.5 太赫兹光子学国际发展现状

1.6 太赫兹光子学国内发展现状

1.7 本文的主要内容

第二章 GaAs晶体的光学性质

2.1 GaAs晶体的生长方法

2.1.1 液封直拉法(LEC)

2.1.2 水平布里支曼法(HB)

2.1.3 垂直梯度凝固法和垂直布里支曼法(VGF/VB)

2.1.4 蒸汽压控制直拉法(VCZ)

2.2 GaAs晶体的晶格结构及基本理化性质

2.3 GaAs晶体的基本光学性质

2.4 GaAs晶体的二阶非线性光学性质

2.5 GaAs晶体的双光子吸收

2.5.1 GaAs晶体双光子吸收基本原理

2.5.2 GaAs晶体双光子吸收引起的非线性色散

2.6 GaAs晶体的自聚焦效应

2.7 GaAs晶体的受激拉曼散射效应

2.7.1 GaAs晶体的受激拉曼散射效应基本原理

2.7.2 受激拉曼过程的几个重要参数

本章小结

第三章 闪光灯泵浦内腔双谐振KTP光学参量振荡器

3.1 IDOPO的耦合波方程

3.2 内腔双谐振光学参量振荡的数值模拟

3.3 KTP晶体的相位匹配分析

3.4 近简并点双谐振内腔光学参量振荡器的实验

3.4.1 实验装置

3.4.2 实验结果及分析

本章小结

第四章 基于受激拉曼散射效应的GaAs晶体THz辐射源

4.1 受激拉曼散射原理

4.1.1 受激拉曼散射过程的耦合波方程

4.1.2 THz受激拉曼散射过程的耦合波方程

4.1.3 受激拉曼增益系数及泵浦光阈值

4.1.4 GaAs晶体的相位匹配条件

4.2 基于GaAs晶体的受激拉曼效应产生窄带THz辐射的实验

4.2.1 实验条件

4.2.2 实验结果及分析

本章小结

第五章 利用菲涅尔相位匹配GaAs晶体实现宽调谐THZ探测

5.1 菲涅尔相位匹配基本理论[9]

5.1.1 共振非涅尔相位匹配的数值模拟

5.1.2 非共振非涅尔相位匹配的数值模拟

5.2 影响转换效率的主要因素

5.2.1 Goos-Hanchen延迟

5.2.2 晶体抛光精度

5.2.3 允许角宽度

5.2.4 有效非线性系数

5.2.5 晶体的吸收

5.3 利用角度调谐在菲涅尔相位匹配GaAs晶体中实现可调谐THz探测的实验设想

本章小结

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢