CO2激光共线差频产生太赫兹的理论和实验研究

摘要

太赫兹科学与技术给成像与感测等应用领域和医药、化学与生命科学等基础研究领域带来深远的影响，而成为近年来热门的研究课题，而对如何获得太赫兹波辐射源的研究是其关键问题研究之一。获得在常温下稳定运转、相干和可调谐的太赫兹波辐射源的最有效的方法之一是利用非线性光学差频的方法，通过差频方法产生太赫兹有着广阔的应用前景。差频方法产生太赫兹的原理是利用两束波长接近的泵浦光在非线性光学晶体中满足相位匹配时差频产生波长在太赫兹区域的辐射源。而在共线差频时两束泵浦光的传播方向相同，这样能够有效地使用在晶体中作用的有效面积和长度来提高产生太赫兹的效率。
　　本论文基于共线差频原理，以CO2激光在非线性晶体中共线差频为研究对象，从理论上分析周期结构的非线性晶体通过共线差频如何有效产生太赫兹；相比其它激光，根据Manley-Rowe定理，理论上利用输出波长在10μm左右的CO2激光差频能够更有效地产生太赫兹源。从实验方面利用自行搭建的双波长输出、正交偏振、可调谐的CO2激光装置对GaSe晶体和周期反转的GaAs晶体片堆中共线差频产生太赫兹进行研究，并逐一展开论述和讨论。论文主要的内容如下：
　　(1)理论上从描述光波与物质相互作用的三波耦合方程出发，推导出共线差频中准相位匹配时产生太赫兹的功率和转换效率的表达式，理论分析CO2激光在周期反转的非线性晶体GaAs中产生太赫兹波源转换效率。提出可以利用CO2激光进行准相位匹配共线差频表面辐射产生太赫兹的方法，推导出表面辐射产生太赫兹波源的转换效率的表达式，并具体提出竖直、倾斜和二维结构的周期性晶体的方案。理论上研究通过表面辐射提高太赫兹波源功率的方法，计算了共线准相位匹配周期性晶体的周期、匹配角和太赫兹波长之间的关系，发现随着周期性晶体的周期长度增加，所产生太赫兹波辐射源的波长增加。
　　(2)为了获得共线差频实验中波长可调谐的CO2激光，分析了CO2气体激光器分子能级结构，探讨了光栅调谐技术，以此获得可调谐的CO2激光器。基于光栅调谐理论，搭建了一台双波长输出、正交偏振的脉冲放电可调谐CO2激光器装置，调谐出18组双波长输出时间同步波长，为共线差频产生太赫兹提供了泵浦源。仅用一台可输出双波长的可调谐CO2激光器，在共线差频中产生太赫兹波辐射源是一种很有意义的应用，这可使太赫兹波辐射源发生器结构紧凑简单。
　　(3)利用自行搭建可以在9.1-10.7μm之间调谐的一台正交偏振双波长输出的CO2激光器的装置，研究了在非线性晶体GaSe中共线差频产生太赫兹波辐射源实验。对GaSe晶体的光学特性和相位匹配理论进行了分析。实验产生了波长范围在236.3-1104.5μm(0.27-1.3THz)的可调谐输出的窄带太赫兹波辐射源。在实验中对CO2激光在GaSe晶体中的相位匹配角，相位匹配允许角进行分析，实验结果跟理论计算相符合。实验在243.6μm波长处获得太赫兹波的最大单脉冲能量为11nJ，其峰值功率182mW。
　　(4)实验研究了周期性反转的GaAs晶体片堆在准相位匹配条件下，利用双波长输出的CO2激光器共线差频产生太赫兹辐射源。分析了GaAs晶体片的晶向选取和厚度，利用光学键合法对GaAs晶体片进行键合，并对GaAs晶体片堆的CO2激光透过率进行测量。实验产生了波长为319μm(0.94 THz)的太赫兹，太赫兹最大单脉冲能量随晶体片数增加而增大，在GaAs晶体片数为10片时获得太赫兹波源的最大单脉冲能量为12nJ，其峰值功率200mW，该能量比GaSe中共线差频产生的太赫兹提高了10％。并提出可以利用一台双波长输出可调谐CO2激光在扇形结构非线性晶体中共线差频，通过简单平移改变扇形结构非线性晶体的周期长度，就能实现太赫兹波可调谐输出的方案。

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1 绪论

1.1 太赫兹应用背景

1.2 太赫兹波辐射源的研究现状

1.3 基于差频产生太赫兹波源国内外研究进展

1.4 本论文的主要研究内容与意义

2 在周期性晶体中共线差频产生太赫兹的理论研究

2.1 周期性晶体中共线差频产生太赫兹波源转换效率的理论计算

2.2 产生表面辐射太赫兹波辐射源的理论

2.3 准相位匹配共线差频产生表面辐射太赫兹波辐射源的研究

2.4 本章小结

3 脉冲放电可调谐CO2激光器

3.1 CO2激光器分子能级结构

3.2 CO2激光器调谐的设计

3.3 双波长正交偏振可调谐CO2激光器

3.4 本章小结

4 基于脉冲CO2激光共线差频在GaSe晶体中产生太赫兹的实

4.1 GaSe晶体相位匹配

4.2 实验装置

4.3 实验结果与讨论

4.4 本章小结

5 基于脉冲CO2激光共线差频在周期反转GaAs晶片中产生太

5.1 晶体的选取

5.2 周期反转的GaAs晶体片堆的制作

5.3 周期反转的GaAs晶体片的光学特性

5.4 周期反转的GaAs晶体片的实验及结果分析

5.5 基于CO2激光在周期性晶体产生可调谐太赫兹波源的方案

5.6 本章小结

6 总结与展望

致谢

参考文献

附录1 攻读学位期间发表论文和成果目录