基于非线性光学方法产生高功率THz波辐射源的研究

电磁耦子论文 THz波参量振荡器论文 闪锌矿结构晶体论文 电磁感应透明论文
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THz波在成像、材料检测、环境监测、通信、天文学、生命科学、国防安全等领域均有重大的科学研究价值和广阔的应用前景。基于受激电磁耦子散射的可调谐THz波参量振荡器(TPO)具有效率高、相干性好、可调谐、窄线宽、结构紧凑、室温运转等特点。基于原子在禁戒跃迁能级间的最大相干性频率下转换产生THz波的方法具有高能量、量子转换效率高等特点。本文主要研究基于受激电磁耦子散射和基于原子在禁戒跃迁能级间最大相干性的THz波辐射源。本文的主要创新点可以归纳如下:1.分析了双离子立方晶体、双离子单轴晶体、多原子单轴晶体中电磁耦子的色散关系。研究了LiNbO3晶体中受激电磁耦子散射过程中的三波互作用理论。根据THz波在增益介质中的增益和吸收表达式,利用脉冲激光器谐振腔理论,推导了TPO阈值表达式。分析了准相位匹配TPO的调谐输出特性,设计了准相位匹配内腔TPO,实现了泵浦光、Stokes光、THz波三者共线传输。2.利用硅棱镜耦合输出TPO得到了有效的THz波输出。实验中得到THz波的频率调谐范围为0.95-2.1THz,THz波平均功率为580nW,能量转换效率为5.74×10-7。双块LiNbO3晶体浅表垂直出射TPO实验中,当THz波频率为1.84THz,泵浦能量为80mJ时,产生的THz波强度为1932V。当泵浦能量足够强时,我们观察到了三阶Stokes光辐射。单块大体积LiNbO3晶体浅表垂直出射TPO实验中,当THz波频率为1.75THz,泵浦光能量为94mJ时,产生的THz波的强度为9.12μW,对应THz波能量转换效率为9.7×10-6。其中THz波的输出功率在国内处于领先水平,在国际上处于先进水平。3.基于受激电磁耦子散射产生THz波的理论,计算了闪锌矿结构晶体中参量振荡产生可调谐THz波的相位匹配特性和增益特性。计算结果为基于闪锌矿结构晶体参量振荡产生THz波提供了深入和全面的理论基础。4.推导了电磁感应透明过程中晶体的线性极化率和非线性极化率的表达式。根据电磁感应透明理论,推导了在具有长寿命自旋相干固体介质中电磁感应透明阈值表达式及电磁感应透明线宽表达式。基于电磁感应透明过程中非线性极化率增强理论,推导了在紫翠宝石晶体中基于原子在禁戒跃迁能级间的最大相干性频率下转换产生THz波的理论。
中文摘要第3-4页
ABSTRACT第4-5页
第一章 综述第8-30页
    1.1 基于光学参量方法THz 波辐射源的产生和探测第10-17页
        1.1.1 基于光学参量方法的THz 波辐射源第10-15页
        1.1.2 基于光学参量方法THz 波辐射源的探测第15-17页
    1.2 基于光学差频方法THz 波辐射源的产生和探测第17-19页
        1.2.1 基于光学差频方法的THz 波辐射源第17-18页
        1.2.2 基于光学差频方法THz 波辐射源的探测第18-19页
    1.3 基于光整流方法的THz 波辐射源第19-23页
    1.4 基于原子在禁戒跃迁能级间最大相干性的THz 波辐射源第23-28页
    1.5 本论文的主要内容第28-30页
第二章 基于晶格振动场的THz 波参量过程动力学分析第30-58页
    2.1 晶体中晶格振动模与光波的耦合作用第30-32页
        2.1.1 极性晶格振动模第30页
        2.1.2 极性晶格振动模产生的电磁场与光波的相互耦合条件第30-32页
    2.2 电磁耦子第32-38页
        2.2.1 双离子立方晶体中电磁耦子的色散曲线第32-33页
        2.2.2 双离子单轴晶体中电磁耦子的色散曲线第33-36页
        2.2.3 多原子单轴晶体中电磁耦子的色散曲线第36-38页
    2.3 受激电磁耦子散射过程中三波互作用动力学分析第38-40页
    2.4 THz 波参量振荡器阈值分析第40-52页
        2.4.1 外腔TPO 阈值分析第40-47页
        2.4.2 内腔TPO 阈值分析第47-52页
    2.5 THz 波参量振荡器相位匹配研究第52-57页
        2.5.1 非共线相位匹配产生THz 波第52-55页
        2.5.2 准共线相位匹配产生THz 波第55-57页
    2.6 本章小结第57-58页
第三章 THz 波参量振荡器实验研究第58-75页
    3.1 硅棱镜耦合输出TPO第59-64页
        3.1.1 硅棱镜耦合输出TPO 实验分析第59-60页
        3.1.2 硅棱镜耦合输出TPO 实验装置第60-61页
        3.1.3 硅棱镜耦合输出TPO 实验结果与分析第61-64页
    3.2 浅表垂直出射TPO第64-74页
        3.2.1 双块LiN_6O_3 晶体浅表垂直出射TPO第64-69页
        3.2.2 单块LiN_6O_3 晶体浅表垂直出射TPO第69-74页
    3.3 本章小结第74-75页
第四章 基于闪锌矿结构晶体中受激电磁耦子散射产生THz 波的研究第75-91页
    4.1 闪锌矿结构晶体简介第75-78页
    4.2 闪锌矿结构晶体中光波的传播特性第78-84页
        4.2.1 未考虑阻尼的情形第78-80页
        4.2.2 考虑阻尼的情形第80-84页
    4.3 基于闪锌矿结构晶体中受激电磁耦子散射产生THz 波的分析第84-90页
        4.3.1 相位匹配特性第84-88页
        4.3.2 闪锌矿结构晶体在THz 波段增益和吸收特性第88-90页
    4.4 本章小结第90-91页
第五章 固体介质中基于禁戒跃迁能级间原子最大相干性产生THz 波的研究第91-119页
    5.1 电磁感应透明现象中的非线性光学效应第91-102页
        5.1.1 缀饰态理论第91-94页
        5.1.2 电磁感应透明现象中的线性极化率第94-98页
        5.1.3 电磁感应透明现象中的非线性极化率第98-101页
        5.1.4 基于电磁感应透明效应的非线性光学频率变换第101-102页
    5.2 长寿命自旋相干固体介质中的原子相干现象第102-113页
    5.3 紫翠宝石中基于禁戒跃迁能级间原子最大相干性产生THz 波第113-118页
    5.4 本章小结第118-119页
总结与展望第119-121页
参考文献第121-135页
发表论文和科研情况说明第135-137页
致谢第137页
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