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基于MgO：LiNbO_3晶体的太赫兹波参量发生器的理论与实验研究

作　者: 夏彩鹏
导　师: 刘红军
学　校: 中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所）
专　业: 光学
关键词: 太赫兹波 光参量差频 电磁耦极子散射 THz波参量发生器(TPG)
分类号: O432.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


太赫兹波（THz）通常定义为频率从0.1-10THz范围内的电磁波,又叫T射线,现在研究较多的是中心区在0.3-3.0THz范围内,介于远红外和微波之间。太赫兹波技术在物理、化学、生命科学等基础研究领域,以及医学成像、安全检查、产品检测、空间通信、武器制导等应用研究领域都具有十分重要的研究价值和广泛的应用前景,为科学技术的创新、国民经济发展和国家安全等方面提供了一个非常诱人的机遇。积极开展THz科学技术的研究工作对我国具有重要的战略意义。其中太赫兹波辐射源技术的发展是推动太赫兹技术及其相关交叉学科迅速发展的关键。利用非线性光学差频方法和基于晶格振动模受激电磁耦极子散射过程的太赫兹参量发生器产生的THz波辐射,具有高能量、高相干性、单频、可宽范围调谐,以及实验装置结构简单、易于操作、可室温运转等优点,因此成为我们研究的重点,其主要工作如下:1.从晶格振动光谱学中的基本概念出发,分析了电磁耦合场量子的形成以及描述了它的受激喇曼散射和色散曲线的意义,并结合受激电磁耦极子色散特性和拉曼散射的几何配置关系,为太赫兹波参量发生器（TPG）系统采用前向散射的相位匹配方式提供了理论依据。2.从理论上详细研究了与晶格振动有关的受激电磁耦极子散射产生THz波的基本原理,并运用Sussman、Henry和Garrett经典的波耦合方法来描述电磁耦合场量子的受激散射,通过结合Kleinman提出的能量密度方法和慢变振幅近似,推导出THz波参量增益的表达式,并对在此过程中所涉及的THz波损耗以及泵浦功率、阻尼系数对THz增益的影响等问题进行了详细的数值计算。3.对由MgO:LiNbO3晶体组成的TPG进行了初步的实验研究,在未注入种子时得到了1068～1075 nm的Stokes光宽带光谱,测得的最高Stokes能量值为90μJ;通过种子注入技术和角度调谐技术获得了1069～1075 nm相干窄带、连续可调谐的Stokes光输出,实验证明了1.3～2.7 THz的THz波产生（波长范围111～284μm）,测得的最高Stokes光能量为1.8mJ,能量同比增长20倍阈值下降26%,此时产生的THz波约为139mW,转换效率约为η≈1.58×10-9,与同方法的其它文献相比具有相同量级的转换效率。另外,实验测得的Stokes增益系数gs≈4cm-1与考虑综合因素后的有效理论值gs≈6cm-1基本相同。

全文目录


摘要  5-7
ABSTRACT  7-11
第一章 绪论  11-22
  1.1 太赫兹波—待开发的频谱资源  11-12
  1.2 THz技术应用  12-16
  1.3 光学太赫兹辐射源  16-17
  1.4 目前国内外研究状况  17-20
  1.5 本文主要研究内容  20-22
第二章 电磁极化激元(polariton)与拉曼散射  22-34
  2.1 电磁极化激元  22-24
    2.1.1 晶格振动  22-23
    2.1.2 非极性晶格振动模和极性晶格振动模  23
    2.1.3 晶格振动模与光波的相互作用  23-24
  2.2 电磁极化激元的色散方程与物理意义  24-31
  2.4 拉曼散射的几何配置  31-33
  2.5 结论  33-34
第三章 基于MgO:LiNbO_3太赫兹波参量发生器的理论研究  34-52
  3.1 非线性晶体中的受激散射过程  34-38
    3.1.1 非线性参量过程  34-35
    3.1.2 拉曼散射过程  35-36
    3.1.3 电磁耦子散射过程  36-38
  3.2 基于受激电磁耦极子散射过程产生THz波的理论研究  38-44
    3.2.1 光学晶体振动模的色散  38-39
    3.2.2 三波耦合作用的理论研究  39-42
    3.2.3 增益和损耗的理论计算  42-44
  3.3 基于MgO:LiNbO_3晶体电磁耦极子散射过程的数值模拟与理论分析  44-51
    3.3.1 MgO:LiNbO_3晶体的光学特性简介  44-48
    3.3.2 拉曼耦极子散射中的角度相位匹配的数值计算  48-49
    3.3.3 THz波增益、吸收特性的数值模拟  49-51
  3.4 结论  51-52
第四章 太赫兹波参量发生器的实验研究  52-59
  4.1 TPG实验装置  52-54
  4.2 实验结果及分析  54-58
  4.3 结论  58-59
第五章 论文总结与工作展望  59-61
  5.1 论文总结  59-60
  5.2 工作展望  60-61
参考文献  61-71
攻读硕士学位期间所作的工作及研究成果  71-72
致谢  72

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中图分类: > 数理科学和化学 > 物理学 > 光学 > 光辐射、光度学、色度学 > 光辐射
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