基于金属F-P微谐振腔选频输出的太赫兹波源理论研究

摘要

太赫兹(THz)电磁波(频率为0.1—10THz)是波长介于毫米波和红外光之间相当宽范围的电磁辐射区域。正是太赫兹波所处的波段使得其具有非常独特的性质,使THz波在凝聚态物理、天体物理、生物、医学、安全检测等众多领域中得到广泛应用。当前限制太赫兹电磁辐射技术发展的一个很重要因素是缺乏一种有效的太赫兹辐射源。基于光学方法的各种THz辐射源,凭借其卓越的特性和显著的优点,逐渐在众多THz辐射产生技术方面显现出举足轻重的地位。本论文在分析THz电磁波的研究意义、现状以及未来发展趋势的基础上,对THz参量振荡器(TPO)作为辐射源进行进一步的优化,具体开展了以下研究工作：(1)简单介绍了太赫兹电磁波的优异特性和太赫兹的产生、探测技术。通过对光学参量振荡器的原理介绍,讲解了以LiNbO3晶体为非线性介质的THz参量振荡器。(2)设计了利用微型金属丝太赫兹波F-P谐振腔实现窄线宽单色太赫兹波宽调谐输出的方案,其方案为在原有太赫兹波源基础上加入了金属F-P微谐振腔,对其产生的THz波束进行选频调谐输出。并从原理上进行了详细分析证明其可行性。(3)通过THz参量振荡器产辐射THz机理—受激喇曼散射出发,结合量子力学中的波恩近似原理，引用有源辐射区(THz波在晶体表面的辐射范围)这一概念。通过分析实验数据验证了其正确性。(4)对THz参量振荡器辐射波束进行分析,结合其远场分布特性,得出浅表垂直式的THz参量振荡器辐射的THz波成准高斯波束。为了评价其THz波束质量,引入了光学中光束的M2质量因子,根据浅表垂直式的THz参量振荡器的特点,使用M2因子矩阵来准确描述质量子M2,通过实验测出其质量因子M2。(5)通过对各种谐振腔的优缺点进行分析,引入光纤与半透膜镜片。设计出一种谐振腔腔长短,调谐简单,体积小的新型浅表垂直式的参量振荡器。

目录

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 引言

1.2 太赫兹电磁波及其技术的发展状况

1.2.1 太赫兹电磁波简介

1.2.2 太赫兹的应用领域

1.2.3 太赫兹的辐射源技术

1.2.4 太赫兹电磁辐射的探测技术

1.3 本论文的主要研究工作及其研究意义

1.4 章节安排

2 THz参量振荡器

2.1 光参量振荡器

2.2 THz参量振荡器

3 微金属F-P谐振腔

3.1 基于微型金属网F-P谐振腔的THz波源

3.2 F-P金属谐振腔实现窄线宽单色太赫兹波宽调谐输出原理

3.2.1 F-P谐振腔选频的原理

3.2.2 F-P谐振腔提高其单色性原理

3.3 单色电磁波穿过金属网

3.3.1 电磁波入射功率

3.3.2 反射功率分量

3.3.3 透射功率分量

3.4 高斯波束穿过金属网

4 TPO波束的研究

4.1 有源辐射区的定义

4.1.1 有源辐射区的理论

4.1.2 有源辐射区范围的实验测量

4.2 表面出射式的有源辐射区

4.2.1 SE-TPO原理

4.2.2 SE-TPO的THz波束的空间特性

4.3 SE-TPO辐射源的THz波束质量因子(M2)及测定

4.3.1 M~2因子的定义

4.3.2 截断傍轴光束的M~2因子

4.3.3 非傍轴光束的M~2因子

4.3.4 SE-TPO波束质量以及M~2因子矩阵定义

4.3.5 SE-TPO波束质量的测定

5 TPO谐振腔设计

5.1 直腔式参量振荡器器设计

5.1.1 反射镜镀有一半高反膜的谐振腔

5.1.2 加入M_3反射镜的谐振腔

5.1.3 反射镜镀SWPF膜的谐振腔

5.2 浅表垂直出射式TPO设计

5.2.1 SE-TPO的设计原理

5.2.2 设计新型SE-TPO

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

附录