沿任意角度辐射THz波的辐射效率与调谐特性分析

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THz波是指频率范围在0.1-10 THz(1 THz=1012Hz)的电磁辐射,它的波长介于微波与红外线之间(3000-30μm)。该波段的电磁辐射具有非常独特的性质。近几年来,太赫兹波技术无论在基础研究方面还是在应用研究领域,都取得了一定的进步和发展,例如在医学成像、医疗诊断、环境检测、安全检查、射电天文、宽带移动通信等领域内都有着广阔的应用前景。THz波作为电磁波谱的最后一个研究波段,它的研究包括THz波产生、THz波探测和THz波的传输及应用(THz光谱,THz成像,THz无线通讯等)。其中,对THz波产生的研究是重中之重。而且以美、日等为首的各个发达国家正在投入大量的人力和物力致力于这方面的研究。积极而全面的开展THz科学技术的研究工作对于我国来说也具有重要的战略意义。 获得THz波辐射的方法有很多,主要分为电子学和光子学两大领域,本文基于目前国内外的研究现状,重点研究了利用光子学方法获得THz辐射,而且是利用非线性光学方法,其中包括包括非线性光学差频方法、THz波参量振荡和THz波参量产生方法、光学Cherenkov辐射等,而本文主要研究通过准相位匹配非线性光学差频方法获得THz辐射,这种方法的优点是可以实现高峰值功率的窄带THz波,而且实验装置结构紧凑,可在室温下运转等。文章分为三个部分: 第一部分基于准相位匹配非线性光学差频产生THz波的理论,推导了在忽略吸收的情况下,THz波在x-y平面内沿任意角度辐射时的三波耦合方程;在此基础上,在忽略泵浦光和信号光衰减情况下的转化效率公式以及在只忽略泵浦光衰减情况下的转化效率公式,其中耦合波方程和忽略泵浦光和信号光衰减情况下的转化效率公式与共线辐射的形式是一样的,但是忽略泵浦光衰减情况下的转化效率公式与共线辐射的形式却是不一样的,公式当中多了一个辐射角度θ。那么由于θ的存在可以使我们得出结论:在三波共线或者接近于共线辐射时耦合作用最强,效率最大。 第二部分理论上对基于PPLN(周期极化的LiNbO3)晶体准相位匹配非线性光学差频获得THz波的各种辐射机制进行了具体的调谐特性分析,总结与比较。其中列举了一些常用的THz波辐射机制,包括1-D (一维)PPLN共线辐射、1-DPPLN非共线辐射(角度辐射)、2-D PPLN非共线辐射(角度辐射),最后将角度辐射总结为两个主要的辐射机制,并分析了以上辐射机制的调谐特性。可以得出结论:采取接近于共线辐射,并采用较大极化周期时,调谐范围比较大;在辐射角度相同的情况下,第四种极化机制随着极化光栅周期的调谐范围比较大;而在极化光栅周期相同的情况下,第一种极化机制随着辐射角度的调谐范围比较大。 第三部分研究了利用2-D PPLN的多种极化波矢分别补偿多种准相位匹配过程从而产生多种波长的THz波辐射,并给出了这几种极化周期之间的关系。另外,这种2-D PPLN与1-D PPLN的不同点在于:1-D PPLN沿x方向上的极化波矢可以向任意方向投影,所以是连续变化的,而且,其他方向上的极化波矢都比x方向的要小;而2-D PPLN沿x方向上的极化波矢不可以向任意方向投影,所以不是连续变化的,而且,它在x以外方向上的极化波矢可以比x方向上的极化波矢大。
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