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基于LiNbO_3晶体耦合场量子的THz电磁波辐射源研究

作　者: 张显斌
导　师: 施卫
学　校: 西安理工大学
专　业: 微电子与固体电子学
关键词: THz波辐射源 耦合场量子 频率调谐 LiNbO3晶体 THz波应用
分类号: O441.4
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要


THz波是指频率从0.1THz到10THz(1THz=1012Hz)，处于微波频段和光频段之间的电磁辐射。由于长时间缺乏产生和探测THz波的有效手段，人们对THz电磁辐射的研究和认识非常有限，然而近十几年来，THz波已经成为世界上极为活跃的科学研究领域之一。这是因为THz波对大多数物质的高穿透性，以及物质在THz频段丰富的频谱特性，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。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，以利用LiNbO3晶体产生可调谐THz电磁波辐射源及其应用为主要内容，具体开展了以下研究工作：（1）论述了固体中的耦合场量子以及利用耦合场量子的受激拉曼散射过程辐射THz电磁波的理论。在此基础上结合实验，对以1064nm的Nd∶YAG激光器为泵浦光源，LiNbO3晶体为非线性介质的THz波辐射源的特性进行了分析研究。（2）首次实现了基于掺杂MgO摩尔分数为5％mol的近化学计量比MgO∶LiNbO3（MgO∶SLN）材料的85mm短谐振腔结构形式的THz参量振荡器，在对比性实验中使传统160mm腔长的THz辐射源的振荡阈值降低22.3％，能量输出提高170％，频率调谐范围从0.5～2.4THz扩宽为0.8～3.0THz。通过法布里-珀罗干涉仪测量其典型线宽Δv=109GHz，具有良好的单色特性。利用85mm短腔THz波辐射源进行了高能量泵浦光入射实验，在1.2THz下得到了420pJ／pulse的THz波，这是截至2006年利用THz波参量振荡器产生THz波的最高峰值能量输出。（3）对同成份配比生长的LiNbO3晶体（CLN）和近化学计量比MgO∶LiNbO3晶体（SLN）的THz波输出特性进行了对比性分析研究。结果表明：CLN比SIN的输出稳定性高；SLN会因为较高的光折变效应造成相位失配，进而影响其输出特性；逐渐提高MgO掺杂摩尔分数会明显减小SLN晶体因光折变效应给THz输出带来的不利影响，并提高抗光损伤能力。（4）首次实现了一种对称谐振腔结构形式的“浅表面垂直出射THz波参量振荡器（SE-TPO）”。实验测试表明这种THz辐射源的波束质量因子为：Mx2=1.15，Mz2=1.25，汇聚后焦点面积小于0.4mm2，反映出这种SE-TPO输出的THz波光束具有良好的空间分布、空间传输以及聚焦特性；调谐频率范围为0.4～3.19THz，调谐带宽为2.79THz；振荡阈值为11mJ／pulse；使用20.3mJ／pulse的泵浦光测量其峰值输出能量104pJ／pulse；典型单色THz波线宽为Δv=92GHz。（5）建立了基于SE-TPO辐射源的THz透射成像系统。系统成像的分辨率接近THz波长，最大信噪比6000，动态范围37dB。首次开展了将该系统应用于无损伤探测和在线检测的初步实验研究。在1.8～1.9THz下，该系统对脱水叶片、藏匿于纸包中的金属刀片、塑料管中折断金属导线可清晰成像，反映该成像系统具有进一步的应用性开发潜力。（6）建立了基于SE-TPO辐射源的THz吸收光谱系统。首次利用该系统对标准样品核黄素，以及同属二糖结构的蔗糖和麦芽糖的吸收光谱进行了测量。观察到的核黄素吸收峰与该样品标准的特征吸收峰吻合，并明显观察到蔗糖和麦芽糖明显不同的特征吸收峰。这表明该系统具有开展物质THz特征光谱分析及物质的THz光谱分辨应用潜力。

全文目录


摘要  3-5
Abstract  5-7
目录  7-9
1 绪论  9-16
  1.1 THz电磁波的研究目的和意义  9-10
  1.2 THz科学技术的发展现状  10-13
  1.3 THz技术的发展趋势和前景分析  13-14
  1.4 本论文的主要研究内容  14-15
  1.5 本章小结  15-16
2 基于晶体中耦合场量子的THz电磁波辐射理论  16-40
  2.1 与产生红外辐射相关的非线性光学基本原理  16-18
  2.2 基于差频混频的红外辐射原理  18-21
    2.2.1 差频混频的三波耦合  18-19
    2.2.2 差频红外辐射的输出功率和转换效率  19-20
    2.2.3 利用差频产生THz电磁波实验  20-21
  2.3 晶体中的耦合场量子  21-36
    2.3.1 晶格振动的声学波和光学波  21-23
    2.3.2 晶体中光学波与光的耦合  23-26
    2.3.3 晶体中的耦合场量子  26-30
    2.3.4 拉曼散射和耦合场量子的拉曼散射  30-32
    2.3.5 受激拉曼散射和耦合场量子的受激拉曼散射  32-34
    2.3.6 LiNbO_3晶体及其耦合场量子色散曲线  34-36
  2.4 参量过程和参量振荡器  36-39
    2.4.1 参量振荡器  36-37
    2.4.2 噪声光子的来源  37-39
  2.5 本章小结  39-40
3 基于LiNbO_3晶体的THz波参量振荡器及THz波探测  40-66
  3.1 由耦合场量子的拉曼散射过程产生宽带THz波实验  40-47
    3.1.1 宽带THz波源实验分析  40-44
    3.1.2 耦合场量子的受激拉曼散射阈值实验  44-47
  3.2 THz波参量振荡器及其增益分析  47-50
  3.3 THz参量振荡器实验及讨论  50-52
    3.3.1 THz参量振荡器辐射可调谐THz波实验装置  50
    3.3.2 THz参量振荡器辐射的耦合输出  50-52
  3.4 THz波参量振荡器的输出特性  52-58
    3.4.1 频率调谐特性  53-54
    3.4.2 THz波参量振荡器输出特性测试  54-58
  3.5 THz参量振荡器辐射电磁波的探测  58-65
  3.6 本章小结  65-66
4 THz波参量振荡器阈值分析及其输出特性的优化  66-84
  4.1 谐振腔结构及F-P谐振腔式THz参量振荡器结构存在的问题  66-68
  4.2 THz波参量振荡器谐振腔振荡阈值分析  68-72
    4.2.1 阈值表达式  68-70
    4.2.2 影响THz波参量振荡器阈值的因素  70-72
  4.3 晶体材料对输出特性及振荡阈值的影响  72-78
    4.3.1 MgO:LiNbO_3晶体  72-73
    4.3.2 SLN和CLN对THz波参量振荡器输出稳定性影响  73-76
    4.3.3 CLN和5%mol MgO:SLN振荡阈值及能量输出比较  76-78
  4.4 用85mm短谐振腔优化THz波参量振荡器输出特性  78-82
    4.4.1 SWPF滤光膜  78-79
    4.4.2 短腔85mm-THz波参量振荡器的结构  79-80
    4.4.3 短腔THz波参量振荡器的输出特性  80-82
  4.5 强泵浦光下的85mm短腔THz波参量振荡器实验  82-83
  4.6 本章小结  83-84
5 浅表垂直出射式THz波参量振荡器(SE-TPO)的实现及特性  84-103
  5.1 THz波参量振荡器波束的远场分布特性  84-87
  5.2 浅表垂直出射式THz波参量振荡器  87-92
    5.2.1 浅表垂直出射式THz参量振荡器的设计  88-89
    5.2.2 浅表垂直出射式THz参量振荡器的实现  89-91
    5.2.3 对称式谐振腔  91-92
  5.3 对称式谐振腔SE-TPO特性实验分析  92-97
    5.3.1 THz波频率调谐特性及谐振腔阈值  92-93
    5.3.2 单色THz波的线宽  93-95
    5.3.3 THz波束的空间特性  95-97
  5.4 SE-TPO辐射源的THz波束质量因子(M~2)及测定  97-102
    5.4.1 波束质量M~2因子的定义  98-99
    5.4.2 SE-TPO波束质量的测定  99-102
  5.5 本章小结  102-103
6 THz波参量振荡器应用性实验研究  103-114
  6.1 THz成像技术的发展  103-105
  6.2 基于浅表垂直出射式THz波参量振荡器成像系统  105-110
    6.2.1 成像系统组成  105-106
    6.2.2 成像系统分辨率  106-108
    6.2.3 几种样品的成像结果  108-110
  6.3 THz光谱实验  110-112
  6.4 本章小结  112-114
7 结论  114-116
  7.1 全文总结  114-115
  7.2 今后工作展望  115-116
致谢  116-117
参考文献  117-125
附录A: 近化学计量比SLN晶体与同成份CLN晶体的物理性能对比  125-126
附录B: 在攻读博士学位期间发表的论文  126-127
附录C: 在攻读博士学位期间主持和参与的主要科研课题  127

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中图分类: > 数理科学和化学 > 物理学 > 电磁学、电动力学 > 电磁学 > 电磁波与电磁场
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