面向THz辐射源的小型化双波长Nd:YVO4激光器的研究

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THz波以其独特的瞬态性、宽带性、相干性、低能性、水吸性、指纹谱性等特点有别于传统的电磁波,因此,它在物理、生物、医学、材料、信息等领域应用广泛。20世纪80年代初,因为太赫兹源的获得和检测方法的实现相对落后,使得人们对该波段电磁波的认识相对缺乏。近年来,随着THz技术的蓬勃发展,THz技术在基础科研和实际应用中引起了人们的广泛关注。在THz技术中,辐射源的研究是制约THz技术发展的关键因素。目前,已有的产生太赫兹源的方法主要分为两类:电子学方法和光学方法。其中,光学方法主要包括光电导、光整流、参量振荡、光学受激散射、光差频(DFG)等方法。光学方法中,通过双波长激光的非线性差频过程(DFG)产生的单频窄带THz波,具有峰值功率高、没有阈值、方案灵活多样等优点,而且结构相对简单、方便操作、容易做成小型化。因此,可用的双波长激光器是实现差频THz的前提。通常,获得双波长激光输出主要有非线性频率变换(如倍频、差频、和频、拉曼频移等)和激活离子的能级分裂(包括不同能级跃迁和同一能级跃迁的不同斯塔克分裂)两类方法。通过对Nd:YVO4晶体的分析可知,该晶体Nd3+具有丰富的能级和子能级结构,为实现双波长激光的运转提供了可能。本文在自行搭建的实验系统上,以Nd:YVO4晶体为基础,由单波长激光运转出发,通过对晶体角度的调节,实现了双波长激光受激发射截面的平衡,实现了双波长激光的同时稳定运转,为获得有效的THz源奠定了基础。具体工作内容如下:1.在单波长激光器速率方程基础上,推导了双波长激光同时运转条件。从改变输出耦合镜的反射率和受激发射截面两个方面阐述了控制双波长运转的方法,并模拟了泵浦偏振光的角度对晶体受激发射截面的影响。对晶体热效应进行了分析,给出了晶体热透镜模拟结果,并将该结果用于指导实验系统设计。2.设计了实验用晶体热沉和小型化晶体温控系统,结合设计的热沉和温控系统,能够准确快速的调节晶体温度。3.利用ABCD矩阵分析方法对泵浦光耦合输入系统和激光谐振腔进行了优化设计和稳定性分析。根据设计的实验系统,通过对晶体角度的调节,实现了双波长激光的稳定运转,提供了一种有效的面向THz应用的双波长激光源。
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