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光学差频产生太赫波的理论与技术研究

作　者: 黄楠
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: 光学差频产生(DFG) 太赫兹(THz) 稳定性 F-P干涉仪金属网栅
分类号: O437
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

太赫兹波(THz)技术在物理、化学、生命科学等基础研究学科,以及医学成像、安全检查、产品检测、空间通信、雷达与武器制导等应用学科都具有重要的研究价值和应用前景,而THz辐射源正是THz技术发展的关键环节。基于光学方法产生THz辐射的方法,是目前获得小型化THz源的重要手段。主要有:THz波气体激光器,与超短激光脉冲有关、能产生宽带亚皮秒THz辐射的光整流、光电导和等离子体四波混频等,还有太赫兹波参量振荡器,以及本论文着重要讨论的非线性光学差频产生THz辐射技术。本论文围绕光学差频产生高峰值功率高稳定性的THz波进行了研究,其主要工作如下:1、从经典的三波混频理论出发,对光学差频产生的基本理论进行了论述,分析了光学差频过程中的相位匹配条件、空间走离,给出了THz波光学差频产生的基本方案,理论计算了相关参数,为下一步研究提供了理论依据。2、对利用光学差频产生高功率THz波的稳定性进行了理论研究。以四阶龙格-库塔算法求解完全相位匹配时考虑吸收损耗的三波耦合方程的数值解。本文的结果表明,由于晶体的吸收影响,在利用光学差频技术产生高功率THz波输出的增益饱和区域是一个THz波输出的非稳定区,而稳定区则位于增益饱和区之后。产生THz波的极值点在227.5μm处,输出峰值功率可以达到945W。由于晶体吸收使THz波的输出增益饱和区成为非稳定区,而稳定区处于抽运光耗尽点之后,即晶体长度约为37.9mm,此时THz波输出功率仍然可以达到735W,稳定性有很大改善,且主要取决于注入抽运光的稳定性。3、设计了THz-DFG实验方案,并建立了实验系统,对THz-DFG技术进行了试验研究。实验基于Ⅲ-Ⅴ族GaSe晶体,该晶体在THz波段有着良好透过率,较大的光学非线性耦合系数。在近红外的泵浦光和信号光的注入下,通过理论计算与实验相结合,获得了频率为1.3-2.7THz的辐射。4、结合金属网栅对THz滤波特性和F-P干涉仪高精度分光特性,设计出一种可以测量单波长THz波的装置。对相关的理论做了模拟计算,用飞秒加工技术制作了金属网栅,并对设计了相应的实验系统。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-9
第一章绪论  9-17
  §1.1 红外光与毫米波的羁绊-太赫兹波的诞生  9-10
  §1.2 太赫兹辐射的主要特征与应用  10-12
  §1.3 国内外的太赫兹研究现状  12-14
  §1.4 光学差频产生技术  14-15
  §1.5 本论文的主要工作  15-17
第二章光学差频产生基本理论  17-29
  §2.1 光差频的耦合波方程  17-21
    §2.1.1 光学差频产生  17-18
    §2.1.2 考虑吸收的三波耦合方程  18-21
  §2.2 光学差频产生的晶体  21-23
    §2.2.1 晶体的选择  21-23
    §2.2.2 晶体长度的选择  23
  §2.3 相位匹配  23-25
    §2.3.1 相位匹配与失配  23-24
    §2.3.2 相位匹配方法和相位匹配角计算  24-25
  §2.4 空间走离效应  25-27
  §2.5 光学差频产生的增益  27-28
  §2.6 小结  28-29
第三章高功率高稳定性太赫兹波产生的数值模拟与分析  29-36
  §3.1 理论模型  29-31
  §3.2 太赫兹波产生的数值计算分析  31-36
    §3.2.1 建立数值模型  31-33
    §3.2.2 增益饱和对产生高功率高稳定性太赫兹波的影响  33-36
第四章太赫兹波光学差频产生技术研究  36-41
  §4.1 实验装置  37-38
  §4.2 实验结果和讨论  38-41
第五章基于金属网栅测试单频太赫兹波长的法布里-珀罗干涉仪  41-49
  §5.1 金属网栅法布里-珀罗干涉仪的结构原理和测试方法  41-43
  §5.2 金属网栅的性质和设计参数  43-46
  §5.3 金属网栅的制作  46-47
  §5.4 实验设计  47-49
第六章总结与展望  49-51
  §6.1 本论文的主要创新  49-50
  §6.2 对未来的工作展望  50-51
参考文献  51-57
硕士期间发表的文章  57-58
致谢  58

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