利用非线性差额及拉曼散射产生太赫兹辐射的研究

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太赫兹(THz)频段是电磁波谱中极具科学价值但尚待完全开发的电磁辐射区域,THz在物理、化学、生命科学、医学成像、安全检查、产品检测、空间通信、武器制导等领域都具有重要的研究价值。基于非线性差频效应的THz辐射源和基于THz光学参量振荡器(TPO)或THz光学参量发生器(TPG)的THz辐射源是产生有效THz辐射的两种主要方式,其中这两种获得THz辐射的方式均属于非线性频率变换过程。  本文研究的主要内容是利用晶体材料的非线性频率变换过程产生THz辐射。  (1)对沿坐标轴方向正切的长方体LiNbO3(LN)晶体,进行拉曼光谱的测量及拉曼峰的模式标定,将本实验结果与大量参考文献对比,得出了拉曼峰相对强度发生变化的原因主要有,晶体加工过程中的切割误差、不同的激发波长、LN晶体的双折射性质;得出了拉曼峰位发生微小移动的原因主要有,晶体内部存在的缺陷损伤及杂质离子、LN晶体的压电性质、LN晶体的双折射性质、不同实验条件。对几何配置与拉曼频移的失配现象进行了理论推导计算,解释了在特定几何配置下其它配置对应散射峰被探测到的原因。  (2)介绍了电磁耦子的产生,电磁耦子与拉曼散射,电磁耦子色散曲线的测量以及电磁耦子辐射THz的相关理论。总结了电磁耦子受激拉曼散射产生THz辐射的基本原理:晶体中入射激光与晶体中具有电磁特性的横光学声子相互作用形成电磁耦子,如果激光功率足够强则使电磁耦子的强度迅速增长,在满足一定相位匹配条件时,入射激光与电磁耦子通过光学参量过程产生THz辐射,可以通过改变相位匹配条件实现可调谐的THz输出。  (3)利用电磁耦子相关的受激拉曼散射辐射THz的相关理论,分析了输出波长为1.064μm的单泵浦激光器照射LN晶体的光学参量振荡过程。对LN晶体具有拉曼活性的E对称模(对应拉曼频移为238cm-1)进行了研究,通过编程进行相关数值计算,得到了非共线第Ⅱ类相位匹配条件下的晶体长度5cm;泵浦光与晶体α轴的夹角为0°;泵浦光与拉曼谐振光夹角为7.32°;泵浦光与THz信号光的夹角为81.32°;确定了晶体的切割方向x、y、z;采用侧面切角与THz波波矢相垂直的硅棱镜阵列设计了THz参量振荡器并计算出硅棱镜切面与水平面的夹角为1.36°。  (4)利用非线性差频相关理论,分析了输出波长为9.6μm、10.0μm的双泵浦激光器照射ZnGeP2(ZGP)晶体的光学参量振荡过程。在第Ⅱ类相位匹配条件下,通过理论数值模拟,得到了相位匹配角,有效非线性系数,波矢方向(θ,ψ),走离角,相位匹配允许角的模拟曲线;绘出THz辐射的环形腔光学参量振荡器原理图并理论分析了双谐振环形腔的转换效率。
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