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太赫兹波位于微波与红外线之间，因其在电磁波谱中的特殊位置而具有许多独特的性质，在光谱学、成像、无损检测、安检、雷达及通讯等领域有广泛的应用。太赫兹辐射源是太赫兹技术发展的关键因素。基于受激电磁耦子散射效应的太赫兹参量源具有良好的空间和时间相干性，谱线宽度窄，可调谐运转，长久耐用，不用频繁维护，室温运转，既可以连续运转又可以脉冲运转，得到研究学者们的广泛关注。
目前太赫兹参量源也存在着许多问题，最明显的不足就是其产生的太赫兹波的脉冲能量以及平均功率比较小。一方面，目前常用的非线性晶体比较单一，多为MgO:LiNbO3(MgO:LN)晶体，随着人们对太赫兹辐射源的输出能量和功率的要求逐渐提高，MgO:LN晶体的抗光损伤阈值逐渐达到了瓶颈进而限制了太赫兹参量源的输出，同时产生的太赫兹波频率范围一般在0.6THz到3.6THz之间。另一方面，用于产生高平均功率的内腔泵浦式太赫兹参量源一般采用LD端面泵浦，在该泵浦方式下激光晶体中的热效应比较严重，同时非线性晶体中的基频光光斑尺寸比较小，这在一定程度上限制了太赫兹参量源的平均输出功率。
本文主要基于RbTiOPO4(RTP)晶体对提高太赫兹参量源的输出能量和输出功率展开一系列的研究工作，实现了基于RTP晶体的外腔泵浦式太赫兹参量振荡器;通过LD内腔侧面泵浦方式减小了腔内严重的热效应并增加了基频光的光斑尺寸，最终分别实现了基于KTiOPO4(KTP)和RTP晶体的高脉冲重复率高平均功率的太赫兹参量振荡器;实现了受激电磁耦子散射与受激拉曼散射在斯托克斯谐振腔内的结合，从而得到一种新型波长可调谐的拉曼激光器。本文具体研究内容如下:
1.计算并分析了RTP晶体的电磁耦子色散曲线和吸收曲线特性。根据RTP晶体中的非共线相位匹配条件设计了用于垂直表面发射太赫兹波结构的晶体。
2.实现了基于RTP晶体的外腔泵浦式太赫兹参量振荡器。用1064nm调QNd:YAG激光器做为外腔泵浦源，采用垂直表面发射结构耦合输出太赫兹波，实验探测到的太赫兹频率范围为3.01THz到3.09THz，3.53THz到4.17THz，4.54THz到4.66THz，5.35THz到5.89THz。当泵浦光能量为120mJ时，在3.85THz频率处获得了单脉冲能量为1.77μJ的太赫兹波输出。在相同的实验条件F通过比较基于MgO:LN、KTP、RTP晶体的外腔泵浦太赫兹参量振荡器的输入输出特性验证了RTP晶体在产生太赫兹波输出能量方面的优势。
3.通过LD侧面泵浦方式来减小激光晶体内的热效应并增加基频光的光斑大小的方案来提高太赫兹波的平均输出功率。采用KTP作为非线性晶体进了垂直表面发射结构的内腔LD侧面泵浦的太赫兹参量振荡器的初步实验，获得了频率调谐范围3.19THz到5.94THz太赫兹波输出。基频光在KTP晶体内的光斑尺寸约为1.3mm。最终当泵浦功率为98W，脉冲重复频率为6kHz时，在5.74THz处获得了平均功率166μW的太赫兹波输出。
4.在垂直表面发射内腔LD侧面泵浦的结构下采用RTP晶体对太赫兹参量源的平均输出功率进行进一步提高。基频光在消耗前后在RTP晶体中的光斑大小分别为1.2mm和1.3mm。当脉冲重复频率为7kHz的时候，在3.85THz处获得了最高367μW的太赫兹输出，367μW是目前报道的基于受激电磁耦子散射原理的太赫兹参量源里所产生的最高的平均输出功率。
5.通过对基频光谐振腔和斯托克斯光谐振腔的精心的设计，实现了受激电磁耦子散射(SPS)和受激拉曼散射(SRS)这两种非线性效应的结合。基频光首先通过非共线的受激电磁耦子散射过程转化成斯托克斯光和太赫兹光，在腔内振荡的斯托克斯光的功率密度足够强的时候与非线性晶体中的晶格振动发生相互作用而产生了进一步的拉曼转化。基于RTP晶体，通过LD端面泵浦方式实现了高转化效率的级联SPS-SRS可调谐拉曼激光器。产生的SPS-SRS拉曼光的波长调谐范围为1107.7nm到1108.1nm，1109.0nm到1112.7nm，1114.3nm到1115.1nm，1117.8nm到1121.1nmo SPS-SRS拉曼光的最佳输出波长为1118.8nm。当泵浦功率为7.9w，脉冲重复频率为10kHz的时候，获得了平均功率为970mW的SPS-SRS拉曼光输出。此时基频光的消耗率高达60％，从LD泵浦光到SPS-SRS拉曼光的转化效率为12.3％。
6.通过LD侧面泵浦系统提高了级联SPS-SRS可调谐拉曼激光器的输出功率。当泵浦功率为93W，脉冲重复频率为5kHz的时候，产生了最大的平均功率为3W的SPS-SRS拉曼光输出。最后尝试将斯托克斯谐振腔输出镜设计成在更大光谱范围内有着比较高的反射率，获得了高达5阶的级联拉曼光输出。随着斯托克斯光的波长调谐，后面的5条级联拉曼光波长也会同步地变化。
本文主要创新点如下:
1.首次实现了基于RTP晶体的外腔泵浦式太赫兹参量振荡器。实验探测到的太赫兹频率范围为3.01THz到3.09THz，3.53THz到4.17THz，4.54THz到4.66THz，5.35THz到5.89THz。当泵浦光能量为120mJ时，在3.85THz频率处获得了单脉冲能量为1.77μJ的太赫兹波输出。
2.首次实现了基于KTP晶体的LD内腔侧面泵浦太赫兹参量振荡器，获得了频率调谐范围3.19THz到5.94THz太赫兹波输出。当泵浦功率为98W，脉冲重复频率为6kHz时，在5.74THz处获得了平均功率166μW的太赫兹波输出。
3.首次实现了基于RTP晶体的LD内腔侧面泵浦太赫兹参量振荡器。当泵浦功率为105W，脉冲重复频率为7kHz的时候，在3.85THz处获得了平均功率367μW的太赫兹输出。367μW是目前报道的基于受激电磁耦子散射原理的太赫兹参量源里所产生的最高的平均输出功率。
4.首次通过设计谐振腔实现了受激电磁耦子散射和受激拉曼散射的级联，并基于RTP晶体实现了级联SPS-SRS的可调谐拉曼激光器。产生的SPS-SRS拉曼光的波长调谐范围为1107.7nm到1108.1nm，1109.0nm到1112.7nm，1114.3nm到1115.1nm,1117.8nm到1121.1nm。
目前太赫兹参量源也存在着许多问题，最明显的不足就是其产生的太赫兹波的脉冲能量以及平均功率比较小。一方面，目前常用的非线性晶体比较单一，多为MgO:LiNbO3(MgO:LN)晶体，随着人们对太赫兹辐射源的输出能量和功率的要求逐渐提高，MgO:LN晶体的抗光损伤阈值逐渐达到了瓶颈进而限制了太赫兹参量源的输出，同时产生的太赫兹波频率范围一般在0.6THz到3.6THz之间。另一方面，用于产生高平均功率的内腔泵浦式太赫兹参量源一般采用LD端面泵浦，在该泵浦方式下激光晶体中的热效应比较严重，同时非线性晶体中的基频光光斑尺寸比较小，这在一定程度上限制了太赫兹参量源的平均输出功率。
本文主要基于RbTiOPO4(RTP)晶体对提高太赫兹参量源的输出能量和输出功率展开一系列的研究工作，实现了基于RTP晶体的外腔泵浦式太赫兹参量振荡器;通过LD内腔侧面泵浦方式减小了腔内严重的热效应并增加了基频光的光斑尺寸，最终分别实现了基于KTiOPO4(KTP)和RTP晶体的高脉冲重复率高平均功率的太赫兹参量振荡器;实现了受激电磁耦子散射与受激拉曼散射在斯托克斯谐振腔内的结合，从而得到一种新型波长可调谐的拉曼激光器。本文具体研究内容如下:
1.计算并分析了RTP晶体的电磁耦子色散曲线和吸收曲线特性。根据RTP晶体中的非共线相位匹配条件设计了用于垂直表面发射太赫兹波结构的晶体。
2.实现了基于RTP晶体的外腔泵浦式太赫兹参量振荡器。用1064nm调QNd:YAG激光器做为外腔泵浦源，采用垂直表面发射结构耦合输出太赫兹波，实验探测到的太赫兹频率范围为3.01THz到3.09THz，3.53THz到4.17THz，4.54THz到4.66THz，5.35THz到5.89THz。当泵浦光能量为120mJ时，在3.85THz频率处获得了单脉冲能量为1.77μJ的太赫兹波输出。在相同的实验条件F通过比较基于MgO:LN、KTP、RTP晶体的外腔泵浦太赫兹参量振荡器的输入输出特性验证了RTP晶体在产生太赫兹波输出能量方面的优势。
3.通过LD侧面泵浦方式来减小激光晶体内的热效应并增加基频光的光斑大小的方案来提高太赫兹波的平均输出功率。采用KTP作为非线性晶体进了垂直表面发射结构的内腔LD侧面泵浦的太赫兹参量振荡器的初步实验，获得了频率调谐范围3.19THz到5.94THz太赫兹波输出。基频光在KTP晶体内的光斑尺寸约为1.3mm。最终当泵浦功率为98W，脉冲重复频率为6kHz时，在5.74THz处获得了平均功率166μW的太赫兹波输出。
4.在垂直表面发射内腔LD侧面泵浦的结构下采用RTP晶体对太赫兹参量源的平均输出功率进行进一步提高。基频光在消耗前后在RTP晶体中的光斑大小分别为1.2mm和1.3mm。当脉冲重复频率为7kHz的时候，在3.85THz处获得了最高367μW的太赫兹输出，367μW是目前报道的基于受激电磁耦子散射原理的太赫兹参量源里所产生的最高的平均输出功率。
5.通过对基频光谐振腔和斯托克斯光谐振腔的精心的设计，实现了受激电磁耦子散射(SPS)和受激拉曼散射(SRS)这两种非线性效应的结合。基频光首先通过非共线的受激电磁耦子散射过程转化成斯托克斯光和太赫兹光，在腔内振荡的斯托克斯光的功率密度足够强的时候与非线性晶体中的晶格振动发生相互作用而产生了进一步的拉曼转化。基于RTP晶体，通过LD端面泵浦方式实现了高转化效率的级联SPS-SRS可调谐拉曼激光器。产生的SPS-SRS拉曼光的波长调谐范围为1107.7nm到1108.1nm，1109.0nm到1112.7nm，1114.3nm到1115.1nm，1117.8nm到1121.1nmo SPS-SRS拉曼光的最佳输出波长为1118.8nm。当泵浦功率为7.9w，脉冲重复频率为10kHz的时候，获得了平均功率为970mW的SPS-SRS拉曼光输出。此时基频光的消耗率高达60％，从LD泵浦光到SPS-SRS拉曼光的转化效率为12.3％。
6.通过LD侧面泵浦系统提高了级联SPS-SRS可调谐拉曼激光器的输出功率。当泵浦功率为93W，脉冲重复频率为5kHz的时候，产生了最大的平均功率为3W的SPS-SRS拉曼光输出。最后尝试将斯托克斯谐振腔输出镜设计成在更大光谱范围内有着比较高的反射率，获得了高达5阶的级联拉曼光输出。随着斯托克斯光的波长调谐，后面的5条级联拉曼光波长也会同步地变化。
本文主要创新点如下:
1.首次实现了基于RTP晶体的外腔泵浦式太赫兹参量振荡器。实验探测到的太赫兹频率范围为3.01THz到3.09THz，3.53THz到4.17THz，4.54THz到4.66THz，5.35THz到5.89THz。当泵浦光能量为120mJ时，在3.85THz频率处获得了单脉冲能量为1.77μJ的太赫兹波输出。
2.首次实现了基于KTP晶体的LD内腔侧面泵浦太赫兹参量振荡器，获得了频率调谐范围3.19THz到5.94THz太赫兹波输出。当泵浦功率为98W，脉冲重复频率为6kHz时，在5.74THz处获得了平均功率166μW的太赫兹波输出。
3.首次实现了基于RTP晶体的LD内腔侧面泵浦太赫兹参量振荡器。当泵浦功率为105W，脉冲重复频率为7kHz的时候，在3.85THz处获得了平均功率367μW的太赫兹输出。367μW是目前报道的基于受激电磁耦子散射原理的太赫兹参量源里所产生的最高的平均输出功率。
4.首次通过设计谐振腔实现了受激电磁耦子散射和受激拉曼散射的级联，并基于RTP晶体实现了级联SPS-SRS的可调谐拉曼激光器。产生的SPS-SRS拉曼光的波长调谐范围为1107.7nm到1108.1nm，1109.0nm到1112.7nm，1114.3nm到1115.1nm,1117.8nm到1121.1nm。